專利名稱：一種等離子體電解催化方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種等離子體電解發(fā)生技術(shù)，具體是指一種以負(fù)載催化劑的絕緣顆粒 做放電填料，在負(fù)載有催化劑的絕緣顆粒間空隙形成等離子體電解從而實(shí)現(xiàn)等離子體電解 催化耦合并有效增大放電等離子體電解面積的方法，以及實(shí)現(xiàn)此方法的一種裝置。
背景技術(shù)：
等離子體電解作為一種獨(dú)特的等離子體形式，是指在電極和溶液之間加以一定的 直流電壓或是直流脈沖電壓，從而擊穿兩者之間的溶液蒸汽鞘層，形成輝光放電等離子體 的處理過程。根據(jù)放電電極的極性可以分為陽極等離子體電解和陰極等離子體電解。等離 子體電解實(shí)際上是把電解溶液作為一個電極，通過輝光放電將等離子體維持在電極和電極 周圍的電解液之間。等離子體電解的一個顯著特點(diǎn)是在放電電極一側(cè)具有非法拉第特性， 即輝光放電電解能夠得到常規(guī)電解不能得到的產(chǎn)物，以及獲得超出由法拉第定律推算出的 理論產(chǎn)量。等離子體電解被認(rèn)為是一種非常有前景的技術(shù)，在等離子體電解沉積、等離子體 電解氧化、等離子體電解金屬表面加工、有機(jī)物合成、氫氣制造和廢水處理等方面顯示出獨(dú) 特的優(yōu)點(diǎn)。等離子體電解過程的等離子體化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在電極周圍的等離子體鞘層 內(nèi)以及等離子體/溶液界面上。王紅林等在專利一種等離子體重整制備富氫氣的方法及其 裝置(ZL200410077525. 1)，高錦章在等離子體飲用水凈化裝置200420086147. 9，高錦章在 接觸輝光放電等離子體發(fā)生裝置200410010570，分別提出了相應(yīng)的等離子體電解的技術(shù)裝 置。這些等離子體電解技術(shù)裝置實(shí)現(xiàn)的方法普遍存在等離子體電解反應(yīng)面積小的問題，等 離子體電解空間一般被局限在放電電極周圍幾個毫米直徑的圓柱形空間內(nèi)，是限制等離子 體電解大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的主要因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利針對等離子體電解存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于提出一種等離 子體電解催化方法及裝置。這種方法通過在電極周圍填充一定粒徑的負(fù)載有催化劑的絕緣 顆粒，將發(fā)生在放電電極周圍的等離子體電解轉(zhuǎn)移至負(fù)載有催化劑的絕緣顆粒之間，一方 面可以有效增大放電等離子體電解面積，另一方面放電等離子體可以激發(fā)催化劑的活性中 心，從而實(shí)現(xiàn)等離子體電解催化耦合。本方法用常見材料絕緣材料，放電電極材料要求低， 能實(shí)現(xiàn)大面積大體積的等離子體電解。本發(fā)明通過以下方案實(shí)現(xiàn)一種等離子體電解催化裝置，其特征在于，它包括等離子體電解室和輔助電解室， 所述等離子體電解室位于中心位置，輔助電解室位于外圍位置，兩電解室之間由電解隔膜 隔開；所述等離子體電解室中心設(shè)有放電電極，在放電電極和電解隔膜之間填充絕緣顆粒， 等離子體電解室上下分別設(shè)等離子體電解室排氣口和排凈口 ；所述輔助電解室內(nèi)設(shè)有輔助 電極，輔助電解室上下分別設(shè)輔助室排氣口和排凈口 ；其中，所述絕緣顆粒是催化劑顆?；?者負(fù)載有催化劑，催化劑的選擇是由等離子體電解應(yīng)用場合決定的。優(yōu)選地，所述等離子體電解室為一圓柱形空間，所述輔助電解室為一圍繞等離子體電解室的圓環(huán)形空間。優(yōu)選地，所述絕緣顆粒的粒徑在1 5mm之間。優(yōu)選地，所述放電電極和輔助電極的材料為鎢、鎢鈰或鉬合金。優(yōu)選地，所述絕緣顆粒為分子篩、氧化鋁、陶瓷、玻璃、氧化鋅、負(fù)載有TiO2光催化 劑的氧化鋁顆?；蛘哓?fù)載有Cu的ZnO顆粒。優(yōu)選地，所述電解隔膜為石棉隔膜或陰陽離子隔膜。優(yōu)選地，所述放電電極安裝于放電電極套筒內(nèi)，放電電極面積通過放電電極伸出 放電電極套筒的長度來調(diào)節(jié)，該套筒能防止溶液與所需放電電極面積外的其它部分接觸。優(yōu)選地，所述放電電極套筒的材料為石英或絕緣陶瓷。一種等離子體電解催化方法，其特征在于，包括如下步驟(1)將電解液加入等離子體電解反應(yīng)室中，所述電解液液面高出絕緣顆粒上部平 面至少IOmm ；所述電解液可以根據(jù)不同的電解要求進(jìn)行選擇；(2)放電電極接直流電源負(fù)極，輔助電極接直流電源正極，將兩極之間的電壓升高 至250 1200V，進(jìn)行等離子體電解催化反應(yīng)。根據(jù)絕緣顆粒之間的孔隙率和絕緣顆粒表面積計(jì)算產(chǎn)生等離子體電解反應(yīng)面積， 其計(jì)算公式如下
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K P J式中r為絕緣顆粒半徑，R1為放電半徑，R2為放電電極半徑，P為單位絕緣顆粒填 充體積，1為放電空間高度。電解催化反應(yīng)的原理在放電電極和輔助電極施加250 1200V的電壓使絕緣顆 粒表面及絕緣顆粒之間產(chǎn)生局部高強(qiáng)電場，該高強(qiáng)電場擊穿絕緣顆粒之間由于溶劑蒸發(fā)形 成的氣體鞘層，從而產(chǎn)生大面積放電等離子體，放電等離子體形成的局部高溫和強(qiáng)光能激 發(fā)絕緣顆粒上的催化劑活性中心的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)大面積等離子體電解與催化的耦合。本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果(1)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，放電電極使用壽命長。按照本發(fā)明的條件，等離子體電解過程 主要發(fā)生在絕緣填充顆粒表面或絕緣顆粒之間，這樣放電電極消耗小，能有效延長放電電 極使用壽命。(2)等離子體電解反應(yīng)面積大。按照本發(fā)明的條件，等離子體電解反應(yīng)面積較一 般等離子體電解反應(yīng)面積大很多倍。以電導(dǎo)率為20 S. m-1的NaOH溶液，放電電極直徑為 3mm，長度為10mm，進(jìn)行等離子體電解。在放電電壓為500V時，常規(guī)等離子體電解裝置所能 產(chǎn)生的等離子體反應(yīng)面積約為125.6mm2。相同條件下，本發(fā)明所能產(chǎn)生的等離子體電解反 應(yīng)面積達(dá)2100mm2以上。(3)本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)等離子體電解技術(shù)與催化技術(shù)相耦合，提高能量效率；絕緣顆 粒上負(fù)載催化劑，放電使反應(yīng)物分子獲得能量，有利于其在催化劑活性中心上發(fā)生化學(xué)吸 附，而較容易發(fā)生催化作用，催化劑能夠選擇性的促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，提高產(chǎn)物的選擇性。


圖1為等離子體電解催化裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式為進(jìn)一步理解本發(fā)明專利，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明專利作進(jìn)一步描述，需要說明 的是，具體實(shí)施方式
并不對本發(fā)明專利要求保護(hù)的范圍構(gòu)成限制，對于未特別注明的工藝 參數(shù)，可參照常規(guī)技術(shù)進(jìn)行。實(shí)施例1如圖1所示，一種等離子體電解催化裝置，包括一圓柱形的電解槽11，電解槽11的 中心位置設(shè)有一圓柱形的等離子體電解室2，在離子體電解室2與電解槽11之間形成的環(huán) 形空間為輔助電解室8，兩電解室之間由石棉隔膜7隔開。所述等離子體電解室2中心設(shè)有 放電電極4，放電電極4安裝于放電電極套筒3內(nèi)，放電電極面積通過放電電極伸出放電電 極套筒的長度來調(diào)節(jié)，在放電電極套筒3和石棉隔膜7之間填充絕緣顆粒10 (粒徑為3mm 的氧化鋁)，等離子體電解室2對應(yīng)的電解槽11上下分別設(shè)等離子體電解室排氣口 6和排 凈口 5 ；所述輔助電解室8內(nèi)設(shè)有輔助電極9，輔助電解室8對應(yīng)的電解槽11上下分別設(shè)輔 助電解室排氣口 1和排凈口 12。其中，放電電極材料為鎢，放電電極直徑為3mm，放電電極 伸出放電電極套筒的長度為10mm。如圖1所示，關(guān)閉等離子體電解室排凈口 5，將電導(dǎo)率為20 S. HT1NaOH溶液從輔助 電解室排凈口 12加入等離子體電解反應(yīng)室2中，至NaOH溶液液面高出絕緣顆粒10上部平 面IOmm既可，關(guān)閉輔助電解室排凈口 12，放電電極4接直流電源負(fù)極，輔助電極9接直流 電源正極，將兩極之間的電源升高至500V，進(jìn)行等離子體電解催化反應(yīng)，其原理是在兩極 間電勢差的推動下，在等離子體電解反應(yīng)室2內(nèi)電流由輔助電極9流向放電電極4，在放電 電極4周圍由于焦耳熱的作用，出現(xiàn)水溶液蒸發(fā)并向填充絕緣顆粒10的間隙中擴(kuò)散，同時 由于絕緣顆粒10表面及絕緣顆粒之間存在局部高強(qiáng)電場，高強(qiáng)電場擊穿絕緣顆粒表面或 絕緣顆粒之間的氣體層，產(chǎn)生放電等離子體，形成大面積等離子體放電。等離子體電解形成 后，在等離子體電解室內(nèi)水分子被等離子體活性物種分解，生成氫氣和氧氣，等離子體電解 室生成氣體從等離子體電解室排氣口 6排出，而輔助電極上發(fā)生的是常規(guī)電解反應(yīng)，生成 氧氣，從輔助電解室排氣口 1排出。根據(jù)絕緣顆粒之間的孔隙率和絕緣顆粒表面積計(jì)算，產(chǎn)生等離子體電解反應(yīng)面積 為2190mm2。計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
一種等離子體電解催化裝置，其特征在于，它包括位于電解槽內(nèi)的等離子體電解室和輔助電解室，所述等離子體電解室位于電解槽的中心位置，輔助電解室位于電解槽的外周位置，兩電解室之間由電解隔膜隔開；所述等離子體電解室中心設(shè)有放電電極，在放電電極和電解隔膜之間填充絕緣顆粒，等離子體電解室上下分別設(shè)等離子體電解室排氣口和排凈口；所述輔助電解室內(nèi)設(shè)有輔助電極，輔助電解室上下分別設(shè)輔助室排氣口和排凈口；其中，所述絕緣顆粒是催化劑顆?；蛘哓?fù)載有催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體電解催化裝置，其特征在于，所述電解槽和等離子 體電解室均為圓柱形，所述輔助電解室為離子體電解室與電解槽之間形成的環(huán)形空間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體電解催化裝置，其特征在于，所述絕緣顆粒的粒徑 在1 5mm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體電解催化裝置，其特征在于，所述放電電極和輔助 電極的材料為鎢、鎢鈰或鉬合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的等離子體電解催化裝置，其特征在于，所述絕緣顆粒為分 子篩、氧化鋁、陶瓷、玻璃、氧化鋅、負(fù)載有TiO2光催化劑的氧化鋁顆粒或者負(fù)載有Cu的ZnO顆粒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體電解催化裝置，其特征在于，所述電解隔膜為石棉 隔膜或陰陽離子隔膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的等離子體電解催化裝置，其特征在于，所述放電電極安裝 于放電電極套筒內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的等離子體電解催化裝置，其特征在于，所述放電電極套筒的 材料為石英或絕緣陶瓷。
9.一種用權(quán)利要求1 8任意一項(xiàng)所述的裝置進(jìn)行等離子體電解催化的方法，其特征 在于，包括如下步驟(1)將電解液加入等離子體電解反應(yīng)室中，所述電解液液面高出絕緣顆粒上部平面至 少 IOmm ；(2)放電電極接直流電源負(fù)極，輔助電極接直流電源正極，將兩極之間的電壓升高至 250 1200V，進(jìn)行等離子體電解催化反應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種等離子體電解催化方法及裝置，該裝置包括位于電解槽的中心位置的等離子體電解室和位于電解槽的外周位置的輔助電解室，兩電解室由電解隔膜隔開；等離子體電解室設(shè)有放電電極，在放電電極和電解隔膜之間填充絕緣顆粒，輔助電解室內(nèi)設(shè)有輔助電極，兩電解室上下均設(shè)有排氣口和排凈口；其中，所述絕緣顆粒是催化劑顆?；蛘哓?fù)載有催化劑。方法為將電解液加入等離子體電解反應(yīng)室中至高出絕緣顆粒上部平面10mm以上；放電電極接電源負(fù)極，輔助電極接電源正極，將兩極間電壓升高至250～1200V，進(jìn)行電解催化反應(yīng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，放電電極使用壽命長；等離子體電解反應(yīng)面積大；催化劑能夠選擇性的促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)。
文檔編號C02F1/461GK101962215SQ201010277378
公開日2011年2月2日 申請日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者嚴(yán)宗誠, 王紅林, 陳礪 申請人:華南理工大學(xué)