电驱动催化反应装置的制作方法

本实用新型涉及一种催化反应装置，特别涉及一种电驱动催化反应装置，属于污染物催化反应技术领域。

背景技术：

多数催化反应在较高温度下进行，因此需要外加热源维持反应，但在热传递过程中不可避免地造成能量损耗。大气污染物的催化燃烧消除即是一个显著的例子。催化氧化可以实现挥发性有机物(vocs)、一氧化碳(co)和碳烟颗粒物等空气污染物的低温燃烧，转化为无害的二氧化碳和水，少数贵金属催化剂甚至可以在常温催化部分空气污染物的燃烧，如铂和金催化的甲醛燃烧(catalysisscience&technology，2016，6，3649-3669)，金催化的一氧化碳燃烧(science，2011，333，736-739)。尽管如此，大多数空气污染物的催化燃烧仍在相对较高的温度下进行(化学学报，2018，76，757—773)，利用外加热源提高反应温度必不可缺。因此，在消除大气污染物的催化燃烧过程中，能源损耗是难以避免的代价，尤其是低效能源利用可能会造成得不偿失的后果。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种电驱动催化反应装置及其应用，进而克服现有技术的不足。

为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型实施例一方面提供了一种电驱动催化反应装置，其特征在于包括用于为催化反应提供反应场所的反应容器以及电驱动反应机构，所述反应容器具有用于导入反应物的进口和用于导出反应产物的出口，所述电驱动反应机构能够在所述反应容器内形成电场以驱动所述催化反应。

本实用新型实施例还提供了如所述的电驱动催化反应装置于催化空气污染物燃烧处理领域的用途。

本实用新型实施例另一方面还提供了一种空气污染物燃烧处理的方法，其包括：

1)提供所述的电驱动催化反应装置；

2)以电源向所述电驱动催化反应装置的电极输入电流，从而在反应容器内形成电场，并由反应容器的进口导入反应物，且使所述反应物在反应容器内与催化剂接触并在所述电场驱动下发生燃烧反应，之后将反应产物由反应容器的出口导出。

与现有技术相比，本实用新型实施例提供的电驱动催化反应装置是利用电场驱动催化反应的进行，特别适用于催化空气污染物燃烧反应；一方面，电场可以驱动催化剂内部电子流动，加速反应物之间的电子迁移，进而驱动和维持反应的进行，实现电能到化学能的直接转换；另一方面，催化剂的电致热效应可以提高工作温度，促进反应的持续进行；该反应装置能够直接利用电能，省去外加热源，可显著提升大气污染物的催化燃烧效率和能源利用效率。

附图说明

图1是本实用新型实施例1中一种电驱动催化反应装置的正视剖面结构示意图；

图2是本实用新型实施例1中一种电驱动催化反应装置的侧视剖面结构示意；

图3是本实用新型实施例2中一种电驱动催化反应装置的正视剖面结构示意图；

图4是本实用新型实施例2中一种电驱动催化反应装置的侧视剖面结构示意；

图5是本实用新型实施例3中一种电驱动催化反应装置催化甲醛燃烧的试验结果图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本实用新型实施例一方面提供了一种电驱动催化反应装置，包括用于为催化反应提供反应场所的反应容器以及电驱动反应机构，所述反应容器具有用于导入反应物的进口和用于导出反应产物的出口，所述电驱动反应机构能够在所述反应容器内形成电场以驱动所述催化反应。

进一步的，所述电驱动反应机构能够与封装在反应容器内的催化剂电性配合。

进一步的，所述催化剂的电导率为10^-7～10⁵西门子/米。

进一步的，所述电驱动反应机构包括能够与电源电连接的两个以上电极，所述电极的一端设置在所述反应容器内并能够与所述催化剂的床层接触。

进一步的，所述电极与反应容器密封连接。

进一步的，所述电极包括铜电极和/或铂电极。

进一步的，所述的电源可以是直流电源或交流电源，所述的电场可以是直流电场或交流电场。

进一步的，所述反应容器包括反应管，所述反应管还连接有进气管和出气管，在所述进气管上形成有所述的进口，在所述出气管上形成有所述的出口，所述催化剂设置在进气管、出气管与反应管的连接处之间。

进一步的，所述进气管、出气管与反应管同轴或交叉设置。

在一些较为具体的实施方案中，所述进气管和/或出气管与反应管垂直连通。

进一步的，所述进气管和出气管设置在同一平面内。

更进一步的，所述进气管和/或出气管与反应管一体设置。

进一步的，所述反应管还连接有两个以上的臂管，所述电极密封设置在所述臂管内。

进一步的，所述两个以上的臂管与反应管同轴或交叉设置。

在一些较为具体的实施方案中，所述两个以上的臂管与反应管垂直连通。

进一步的，两个以上的臂管设置在同一平面内。

进一步的，所述的臂管与反应管一体设置。

进一步的，在所述反应容器内还设置有用于监测催化剂床层温度的温度监测机构。

在一些较为具体的实施方案中，所述温度监测机构设置在一套管内，所述套管的一端封堵，另一端开口，所述套管与反应管密封连接，并且所述套管的封堵端设置在所述催化剂的床层内。

进一步的，所述套管包括玻璃管或金属管。

进一步的，所述温度监测机构包括热电偶或热电阻。

更进一步的，所述反应管还连接有支管，所述套管密封设置在所述支管内。

本实用新型实施例还提供了如所述的电驱动催化反应装置于催化空气污染物燃烧处理领域的用途。

本实用新型实施例另一方面还提供了一种空气污染物燃烧处理的方法，其包括：

1)提供所述的电驱动催化反应装置；

2)以电源向所述电驱动催化反应装置的电极输入电流，从而在反应容器内形成电场，并由反应容器的进口导入反应物，且使所述反应物在反应容器内与催化剂接触并在所述电场驱动下发生燃烧反应，之后将反应产物由反应容器的出口导出。

进一步的，所述的燃烧反应包括触发反应阶段(亦可理解为驱动反应阶段)和持续反应阶段，所述触发反应阶段由电驱动反应机构提供电场，电场驱动催化剂内部电子流动，并加速反应物之间的电子迁移，进而使反应被触发进行；持续反应阶段在前述电场的驱动作用与催化剂的电致热效应协同下进行，在电场环境下，催化剂的电致热效应可以提高自身温度，进而促进反应的持续进行。

进一步的，所述反应物包含空气污染物以及氧气和/或氮氧化物。

进一步的，所述空气污染物包括挥发性有机物、一氧化碳、碳烟颗粒物中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述挥发性有机物包括甲醛、正丁醇、乙酸乙酯、甲苯中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述碳烟颗粒物包括化石燃料和/或由生物质不完全燃烧形成的以炭黑为主要成分的颗粒物。

进一步的，所述催化剂包括银氧化锡粉体或载银多孔陶瓷。

进一步的，所述电源为直流电源或交流电源。

进一步的，所述电源的电压为0～50v，形成的电场强度为0～9v/mm。

如下将结合附图及具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

实施例1

本实施例的一种电驱动催化反应装置(即前述电驱动反应机构)的正视剖面图如图1所示；其中，反应容器主体为内径0.6厘米的玻璃反应管1，其顶部为进(气)口2，底部为出(气)口3，中间两侧各有两根臂管4，臂管4与反应管1垂直互通，并处于同一平面；在两根臂管4中各插入一根铜电极5，两根铜电极能够分别连接电源的正负极；用耐高温胶(起固定和密封作用)填充臂管4的管壁与电极5之间的缝隙；电极5一端与反应管1的内壁齐平，另一端伸出臂管4外；反应管1靠近出(气)口3处有凹向管内的支撑台(支撑台为反应管的部分区域沿其径向内凹形成)6；用石英棉7将2克催化剂(本实施例中的催化剂采用银氧化锡催化剂)8封装在反应管中间位置，底部由支撑台6支撑；催化剂8的床层两侧各与两根电极5紧密接触。为了检测催化剂8床层的温度，安装了热电偶套管，如该装置的侧视剖面图(图2)所示；在反应管1的中间位置预留一根互通的支管9，支管9垂直于反应管1和两根臂管2所在平面；用硅胶塞10将玻璃套管11固定密封在支管9内；套管11的封堵端穿过硅胶塞10插入催化剂8的床层，套管11的另一端开口，能够预留套入热电偶。

实施例2

本实施例的一种电驱动催化反应装置(即前述电驱动反应机构)的正视剖面如图3所示；其中，反应容器主体为内径0.6厘米的玻璃反应管1，进气管12、出气管13与反应管1垂直互通，并处于同一平面；反应管1两侧(两端)同轴延伸出两根臂管4；反应管1内填充5克催化剂(本实施例中的催化剂采用整体式载银多孔陶瓷催化剂)8；在两臂管4中各插入一根铜电极5，铜电极5的一端与催化剂8的床层紧密接触，另一端伸出臂管4外分别与电源的正负极连接；采用耐高温胶(主要起固定和密封作用)填充臂管4的管壁与电极5之间的缝隙；为了检测催化剂8床层的温度，安装了热电偶套管，如该装置的俯视剖面图(图4)所示；在反应管1的中间位置预留一根与反应管互通的支管9，支管9垂直于反应管1、进气管12和出气管13所在平面；用硅胶塞10将玻璃套管11固定密封在支管9内；套管11的封堵端穿过硅胶塞10深入催化剂8床层，套管11的另一端开口，能够预留套入热电偶。

实施例3

利用实施例1提供的电驱动反应机构，将其两个电极5分别连接直流稳压电源的正负极，在其套管11内插入热电偶，并连接温度显示器；向反应管1内通入含甲醛、氧气和氮气的反应气体，甲醛和氧气的体积分数分别为100ppm和10％，气体流量为50毫升/分钟；连通3伏特直流电压维持2小时，断电0.5小时，周期性重复3次，记录温度、电压、电流以及流出气体二氧化碳和一氧化碳的体积分数；如图5所示，开始通电时，有大量二氧化碳生成，随后二氧化碳的含量降低，最后二氧化碳的体积分数稳定在100ppm左右，期间无一氧化碳生成。结果表明反应气体中的甲醛全部燃烧生成了二氧化碳，甲醛去除率达100％；开始通电时形成的二氧化碳峰应该是未通电时吸附的甲醛发生的燃烧；断电后，二氧化碳浓度迅速降低，即反应停止；另外，通电期间催化剂8因电致热效应温度升至53℃左右。

对比例1

采用实施例3的反应系统，采用非电加热的方式将催化剂加热至53℃，最后测得有50ppm左右的二氧化碳生成，甲醛去除率为30％，低于采用电驱动催化反应的去除率。

实施例4

利用实施例1提供的电驱动反应机构，将其两个电极5分别连接直流稳压电源的正负极；向反应管1内通入含甲苯、氧气和氮气的反应气体，甲苯和氧气的体积分数分别为320ppm和10％，气体流量为50毫升/分钟；连通4伏特直流电压；最终甲苯全部燃烧生成二氧化碳，甲苯的去除率达100％。

实施例5

利用实施例1提供的电驱动反应机构，将其两个电极5分别连接直流稳压电源的正负极；向反应管1内通入含正丁醇、氧气和氮气的反应气体，一氧化碳和氧气的体积分数分别为800ppm和10％，气体流量为50毫升/分钟；连通3伏特直流电压，最终，正丁醇全部燃烧生成二氧化碳，正丁醇的去除率达100％。

实施例6

利用实施例1提供的电驱动反应机构，将其两个电极5分别连接直流稳压电源的正负极；向反应管1内通入含乙酸乙酯、氧气和氮气的反应气体，乙酸乙酯和氧气的体积分数分别为500ppm和10％，气体流量为50毫升/分钟；连通3伏特直流电压，最终，乙酸乙酯全部燃烧生成二氧化碳，乙酸乙酯的去除率达100％。

实施例7

利用实施例1提供的电驱动反应机构，将其两个电极5分别连接直流稳压电源的正负极；向反应管1内通入含一氧化碳、氧气和氮气的反应气体，一氧化碳和氧气的体积分数分别为600ppm和10％，气体流量为50毫升/分钟；连通4伏特直流电压，最终，一氧化碳全部燃烧生成二氧化碳，一氧化碳的去除率达100％。

实施例8

利用实施例2提供的电驱动反应机构，将其两个电极5分别连接直流稳压电源的正负极，在其套管11内插入热电偶，并连接温度显示器；向反应管1内通入含碳烟气溶胶、氧气、氮氧化物和氮气的反应气体，碳烟气溶胶的浓度是10微克/升，氧气和氮氧化物的体积分数分别为10％和0.1％，气体流量为50毫升/分钟；连通20伏特交流电压，最终，碳烟全部燃烧生成二氧化碳，碳烟的去除率达100％，期间催化剂8床层温度达到100℃左右。

此外，本案实用新型人还参照实施例1-8的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，其结果与实施例3-8中的基本一致，并同样利用本实用新型的电驱动反应器成功应用于各类催化反应。

本实用新型实施例提供的电驱动催化反应装置是利用电场驱动催化反应的进行，特别适用于催化空气污染物燃烧反应。一方面，电场可以驱动催化剂内部电子流动，加速反应物之间的电子迁移，进而驱动反应的进行，实现电能到化学能的直接转换；另一方面，催化剂的电致热效应可以提高工作温度，促进反应进行；该反应装置能够直接利用电能，省去外加热源，可显著提升大气污染物的催化燃烧效率和能源利用效率。

应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。