气体净化装置及方法与流程

本发明的实施例涉及气体净化领域，特别涉及一种等离子体气体净化装置及方法。

背景技术

空气净化是当今社会的重要课题之一。挥发性有机污染物(volatileorganiccompounds，voc)作为一类重要的大气污染物，对人类健康影响较大，因此voc的脱除具有重要的环保意义。

传统的voc脱除方法主要包括回收法和转化法，前者主要包括活性炭吸附法、溶液吸收法、冷凝法和膜分离法等；后者主要包括燃烧法、催化氧化法、生物降解法和光催化法等。这些脱除方法普遍存在操作难度大、成本效率低下、不利于低浓度voc脱除等问题。

新兴发展的等离子体催化方法结合了低温等离子体脱除的宽浓度范围、室温工作及催化氧化的高选择性等优点，在voc脱除领域中具有很大的应用潜力。

一方面，现有的等离子体催化方法所用催化剂的形态一般为颗粒、粉末、泡沫和蜂窝块等，为保证的较大催化表面，用量需求较大；另一方面，催化剂置于两电极之间，高效率放电需要两电极之间的放电间隙尽量狭小。由此，较窄的放电间隙需求与较大的催化剂用量间的矛盾，使得等离子体催化方法脱除voc的能量效率较低。

技术实现要素：

本发明的实施例旨在提出一种包括薄膜催化剂的等离子体气体净化装置及方法。

根据本发明的一个方面，提出一种气体净化装置，包括：用于产生等离子体的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间形成等离子体放电区；以及设置于所述等离子体放电区内或外的薄膜催化剂。

根据一些实施方式，所述薄膜催化剂完全置于所述等离子体放电区内；或所述薄膜催化剂部分置于所述等离子体放电区内，部分置于所述等离子体放电区外；或所述薄膜催化剂完全置于所述等离子体放电区外。

根据一些实施方式，所述薄膜催化剂包括贵金属、过渡金属、稀土金属及其氧化物中的一种或多种。

根据一些实施方式，所述薄膜催化剂包括铂、钯、氧化铜、氧化钴、氧化锰、氧化铁和铜钴氧化物中的一种或多种。

根据一些实施方式，所述薄膜催化剂的厚度在nm～μm量级，重量在mg量级。

根据一些实施方式，所述薄膜催化剂设置于衬底上。

根据本发明的另一方面，提出一种气体净化方法，待净化气体经等离子处理进行一次净化；以及一次净化后的气体在薄膜催化剂表面进行催化净化。

根据一些实施方式，一次净化后的气体在完全置于等离子体放电区内的薄膜催化剂表面进行二次净化；或一次净化后的气体在位于等离子体放电区内的薄膜催化剂表面进行二次净化，以及二次净化后的气体在位于等离子体放电区外的薄膜催化剂表面进行三次净化；或一次净化后的气体在完全置于等离子体放电区外的薄膜催化剂表面进行二次净化。

根据一些实施方式，所述待净化气体包括挥发性有机污染物(voc)。

在根据本发明的实施例的气体净化装置中，通过在等离子体放电区内或外设置薄膜催化剂，使得较少的催化剂用量即可保证较大的催化剂表面积；并且，由于薄膜催化剂厚度较小，内置于等离子体放电区内时所需空间较小，电极间放电间隙可以调节到很窄，有利于提高气体净化的能量效率。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的气体净化装置的结构示意图；

图2示出了图1的气体净化装置的组合示意图；

图3示出了图1的气体净化装置的薄膜催化剂及衬底的结构示意图；

图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的气体净化方法的流程图；以及

图5示出了根据本发明的另一示例性实施例的气体净化方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的气体净化装置100的结构示意图，图2示出了图1的气体净化装置100的组合示意图。如图1-2气体净化装置100包括：用于产生等离子体的第一电极5和第二电极6，第一电极5和第二电极6之间形成等离子体放电区2；以及设置于等离子体放电区2内或外的薄膜催化剂10。待净化气体可沿箭头a所示方向进入气体净化装置100。在根据本发明的实施例的气体净化装置100中，通过在等离子体放电区2内或外设置薄膜催化剂10，使得较少的催化剂用量即可保证较大的催化剂表面积；并且，由于薄膜催化剂10厚度较小，内置于等离子体放电区2内时所需空间较小，第一电极5和第二电极6间放电间隙可以调节到很窄，有利于提高气体净化的能量效率。

在本发明的实施例中，第一电极5和第二电极6可以由管式介质阻挡放电(dielectricbarrierdischarge，dbd)同轴反应器提供。具体地，参照图1，管式dbd同轴反应器可包括石英管4，第一电极5可以包括导电金属网，导电金属网包裹在石英管4的外壁，与交流电源的一端相连，作为介质阻挡放电的第一电极。在其他实施例中，导电金属网可以改用其他导电材料，例如铜箔或均匀缠绕在石英管4外壁的金属丝。当使用外径较小的石英管4时，金属网自身的刚性使其与石英管外壁的贴合度不足，从而影响电极间放电的均匀性，用更软的铜箔或者均匀缠绕于石英管外壁的金属丝做第一电极，放电效果更好。

第二电极6可以包括导电金属棒，导电金属棒水平位置设置于石英管4内，并与交流电源的一端相连，作为介质阻挡放电的第二电极。在其他实施例中，导电金属棒可以用导电螺纹杆替代。当气流速度的改变影响了dbd性能时，用具有均匀螺纹结构的导电螺纹杆做第二电极可以使介质阻挡放电更为均匀和稳定，同时，突出的螺纹结构也会使气体流场形成较多的湍流和涡流结构，使得分子碰撞更加剧烈，有利于反应进行。

由此，导电金属棒外壁与石英管4内壁间形成介质阻挡放电间隙，进一步地，第一电极5与第二电极6之间形成等离子体放电区2。在本发明的实施例中，低温等离子体由大气压单介质管式dbd产生，放电间隙可以为0.5～3mm，使用的电压可以为0～5kv。

待净化气体进入气体净化装置100后，在等离子体放电区2形成高密度微放电通道，从而使待净化气体经等离子处理碎片化，产生大量的高能电子、离子和自由基等活性物质，这些物质在电场的作用下发生复杂的化学反应，使待净化气体部分降解，由此实现待净化气体的一次净化，生成co、co2、h2o及一些有机副产物。

进一步地，薄膜催化剂10设置于等离子体放电区2内，用于对一次净化后的气体进行催化净化。薄膜催化剂10的放置形式可以为：将薄膜催化剂10缠绕包裹在第二电极6的外面，然后塞入石英管4中。即，薄膜催化剂10置于第二电极6的外侧和石英管4内侧之间。具体地，未反应的待净化气体及已生成的产物、有机副产物在等离子体放电区2内的薄膜催化剂10表面发生吸附、扩散、漂移、反应和脱附，使未反应的待净化气体发生部分或全部降解，同时co及有机副产物发生进一步的氧化反应，生成co2和h2o。

在一些实施例中，薄膜催化剂10完全置于等离子体放电区2内，一次净化后的气体在完全置于等离子体放电区2内的薄膜催化剂10表面进行二次净化。

在其他一些实施例中，薄膜催化剂10完全置于等离子体放电区2外，一次净化后的气体在完全置于等离子体放电区2外的薄膜催化剂10表面进行二次净化。参照图1-2，线框3示出了等离子体放电区2之外的区域。在本发明的实施例中，等离子体放电区2之外的区域主要指沿气体流向a位于等离子体放电区2之后的区域，以保证待净化气体先经等离子处理然后再到达薄膜催化剂10表面进行催化净化。

在其他一些实施例中，薄膜催化剂10部分置于等离子体放电区2内，部分置于等离子体放电区2外。在本实施例中，在位于等离子体放电区2内的薄膜催化剂表面10进行二次净化后的气体之后在位于等离子体放电区2外的薄膜催化剂10表面进行三次净化。具体地，经一次净化和二次净化后仍未反应的待净化气体及已生成的产物、有机副产物在等离子体放电区2外的薄膜催化剂10表面发生吸附、漂移、反应和脱附，使未反应的待净化气体发生降解，co及有机副产物发生进一步的氧化反应，生成co2和h2o。

如上，本发明的实施例的气体净化装置100可对气体进行层层递进的多次净化，保证了较佳的净化效果。

待净化气体可以为各种工业废气、运输工具尾气、厨房油烟和室内气体等，在本发明的实施例中，待净化气体可以包括挥发性有机污染物(voc)。

图3示出了图1的气体净化装置100的薄膜催化剂10及衬底11的结构示意图。如图3所示，薄膜催化剂10可设置于衬底11上。衬底11可以为金属网、金属片或玻璃等。具体地，利用镀膜的方法，例如化学气相沉积方法(chemicalvapordeposition，cvd)、火焰合成法、浸渍法(impregnation)等将具有催化活性的薄膜催化剂10沉积在衬底11上，使薄膜催化剂10与衬底11紧密结合。

薄膜催化剂10用于使待净化气体在其表面发生吸附、扩散、漂移、反应和脱附，从而使气体发生部分或全部降解，并促进co及有机副产物发生进一步的氧化反应，生成co2和h2o。

薄膜催化剂10可包括贵金属、过渡金属、稀土金属及其氧化物中的一种或多种，其中过渡金属是指元素周期表中d区的一系列金属元素。进一步地，本发明的薄膜催化剂10可包括铂、钯、氧化铜、氧化钴、氧化锰、氧化铁和铜钴氧化物等中的一种或多种。

在本发明的实施例中，薄膜催化剂10的厚度可以在nm～μm量级，重量可以在mg量级，并且衬底11的厚度可以在10^-1mm量级。一方面，由于催化剂的形态为薄膜，因此可实现较少的催化剂用量得到较大的催化剂比表面积，有利于气体成分在催化剂表面的吸附和氧化反应，增加voc的脱除效率和co2的选择性。另一方面，薄膜催化剂10和衬底11内置于等离子体放电区2中时所需空间较小，第一电极5和第二电极6间放电间隙可以调节到很窄，具体地吗，本发明中两电极间放电间隙为0.5～3mm，可以实现在较低电压输入时得到较好的放电效果，提高了voc脱除的能量效率。本发明中在能量密度为20～100j/l时甲苯脱除效率即达到100％，co2的选择性可达到70％以上。

此外，内置于等离子体放电区的薄膜催化剂10可以提高dbd的放电性能，从而提高了voc脱除效率；而外置于等离子体放电区2的薄膜催化剂10可以减少voc脱除过程中的有机副产物，增加co2的选择性。无论是外置式还是内置式等离子体催化结构，等离子体与催化剂之间都形成了协同作用，使得voc在此过程中完成了高效率转化，生成co2和h2o。

图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的气体净化方法200的流程图。如图4所示，在步骤201处，待净化气体经等离子处理进行一次净化；在步骤202处，一次净化后的气体在完全置于等离子体放电区2内的薄膜催化剂10表面进行二次净化。或者，在步骤201处，待净化气体经等离子处理进行一次净化；在步骤202处，一次净化后的气体在完全置于等离子体放电区2外的薄膜催化剂10表面进行二次净化。

图5示出了根据本发明的另一示例性实施例的气体净化方法300的流程图。如图5所示，在步骤301处，待净化气体经等离子处理进行一次净化；在步骤302处，一次净化后的气体在位于等离子体放电区2内的薄膜催化剂10表面进行二次净化；在步骤303处，二次净化后的气体在位于等离子体放电区2外的薄膜催化剂10表面进行三次净化。

虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。

本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。