CN113893799A

CN113893799A - 一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器

Info

Publication number: CN113893799A
Application number: CN202111176209.XA
Authority: CN
Inventors: 刘卓
Original assignee: Hubei University for Nationalities
Current assignee: Hubei University for Nationalities
Priority date: 2021-10-09
Filing date: 2021-10-09
Publication date: 2022-01-07

Abstract

本发明提出了一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器，包括具有流体入口和流体出口的绝缘介质外筒，设置在绝缘介质外筒内的封闭的绝缘介质内筒，以及安装在绝缘介质内筒内部的等离子体光源；绝缘介质外筒的外壁上间隔的设有多个并联电性连接的外电极，绝缘介质内筒的内部设有中心电极。本发明的反应器采用多个并联外电极，从而增加了反应器的电极边缘数量，提高了反应器的边缘效应，有利于增大电晕放电在等离子体放电模式中所占的比例，降低放电过程中产生的电流，提高样品表面处理效果及质量，使得反应器能够长时间安全、稳定的运行，利于等离子体反应器在各行各业的推广应用。

Description

一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器

技术领域

本发明属于等离子体反应器领域，具体涉及一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器。

背景技术

近年来，低温等离子体(Non-thermal plasma，简称NTP)技术得益于高效率、低能耗、操作简单、应用范围广、绿色环保等独特优势，已经越来越引起人们的关注与重视。等离子体技术已在化学膜沉积、材料改性、生物灭菌和化学分析等多个领域得到了广泛应用，是一种在21世纪得到大力发展的新技术。

在大气压条件下产生低温等离子体的方法主要有辉光放电(glow discharge)、介质阻挡放电(dielectric barrier discharge)、电晕放电(corona discharge)、微波及射频放电(microwave&radio frequency discharge)等。相比较来说，介质阻挡放电(dielectric barrier discharge)因可在较宽的压强范围(10Pa～大气压)产生大尺寸的等离子体，获得了更为广泛的应用，目前也已有将其用于工业化生产的先例，如臭氧生产工艺等。

介质阻挡放电的放电形式多为丝状放电或流柱放电，常常具有较大的容性电流，存在如下技术问题：1)这种形式的等离子体分布不均匀，且电流峰值较大的放电脉冲，造成样品表面处理效果不均匀，甚至有可能会对材料表面产生破坏；2)过大的电流还限制了等离子体反应器的实际工业化长时间的使用；3)不均匀的等离子体也不利于化学催化反应体系的进行；4)使用介质阻挡放电的反应器的应用场景中，如水处理、二氧化碳转换、低温等离子体固氮等领域存在能量消耗大、合成速率低、处理成本高等不足之处，制约了等离子体反应器在各行各业的推广应用。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器，包括具有流体入口和流体出口的绝缘介质外筒、设置在绝缘介质外筒内的封闭的绝缘介质内筒、以及安装在绝缘介质内筒内部的等离子体光源；绝缘介质外筒的外壁上间隔的设有多个并联电性连接的外电极，绝缘介质内筒的内部设有中心电极。

上述技术方案中，通过设置绝缘介质内筒可以避免中心电极直接暴露在放电环境中，避免漏电，提高反应器的安全性。反应器采用多个并联外电极，从而增加了反应器的电极边缘数量，提高了反应器的边缘效应，有利于增大电晕放电在等离子体放电模式中所占的比例，降低放电过程中产生的电流，提高样品表面处理效果及质量，使得反应器能够长时间安全、稳定的运行，利于等离子体反应器在各行各业的推广应用。

在本发明的一种优选实施方式中，多个外电极与高压电源连接，作为反应器的高压电极；中心电极与地电极相连，作为反应器的低压电极。

在本发明的一种优选实施方式中，等离子体光源为紫外灯。

在本发明的一种优选实施方式中，绝缘介质内筒由透明的绝缘材料制成，中心电极为环设在等离子体光源外的导电透明薄膜，导电透明薄膜固接在绝缘介质内筒的内壁上。

上述技术方案中，绝缘介质内筒具有较好的透光性能，可以保证等离子体光源产生的光透过导电透明薄膜和绝缘介质内筒，直接作用于绝缘介质内筒与绝缘介质外筒之间的放电区域。

在本发明的一种优选实施方式中，导电透明薄膜由ITO薄膜、石墨烯导电薄膜或PEDOT导电薄膜制成。

在本发明的另一种优选实施方式中，绝缘介质外筒的壁厚为1～2mm，绝缘介质外筒的外径30～40mm；绝缘介质内筒的壁厚为1～2mm，绝缘介质内筒的外径为25～30mm。

在本发明的另一种优选实施方式中，所有外电极的宽度全部相等、不全相等或者全不相等；和/或多个外电极沿绝缘介质外筒的长度方向等间隔设置。

在本发明的另一种优选实施方式中，外电极为宽度为10～20mm的铜箔电极；和/或相邻两个外电极之间的间隔距离为5～10mm。

上述技术方案中，外电极采用铜箔电极，导电性好,质地比较软，便于缠绕在绝缘介质外筒的外壁上，而且铜箔电极的宽度设置合适，铜箔电极之间的间距设置也合适。

在本发明的另一种优选实施方式中，绝缘介质外筒由玻璃、石英或陶瓷制成，绝缘介质内筒为石英管。绝缘介质外筒和绝缘介质内筒均由常规绝缘材料制成，生产成本低。

在本发明的另一种优选实施方式中，绝缘介质外筒与绝缘介质内筒同轴设置。由此能够获得均匀的介质阻挡放电等离子体，利于化学催化反应体系的进行。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：通过优化等离子体反应器的电极结构，同时与紫外灯技术联用，提高了等离子体反应器的能量效率和反应速率，以及提高了等离子体反应器的安全性，保证等离子体反应器能够在常温常压的条件下长时间安全、稳定、高效的运行。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请实施例的一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器的结构示意图。

说明书附图中的附图标记包括：绝缘介质外筒10、进气口11、出气口12、液体入口13、液体出口14、绝缘介质内筒20、等离子体光源30、外电极40、中心电极50。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器，如图1所示，在本发明的一种优选实施方式中，反应器包括具有流体入口和流体出口的绝缘介质外筒10、设置在绝缘介质外筒10内的封闭的绝缘介质内筒20、以及安装在绝缘介质内筒20内部的等离子体光源30，绝缘介质内筒20罩设在等离子体光源30外，避免工作中漏电。优选绝缘介质外筒10与绝缘介质内筒20同轴设置，等离子体光源30位于反应器的中间。

绝缘介质外筒10的外壁上间隔的设有多个并联电性连接的外电极40，图1中所示为沿绝缘介质外筒10的长度方向等间隔的设置有五个外电极40，该反应器的使用过程中可以根据实际情况增减外电极40的个数。绝缘介质内筒20的上下两端封闭，其内部设有中心电极50，优选中心电极50环设在等离子体光源30外。使用时，多个外电极40与高压电源连接，作为反应器的高压电极；中心电极50与地电极相连，作为反应器的低压电极。

本申请的反应器可用于溶液中污染的去除、气体中VOC的去除、以及利用等离子体气液界面反应进行常温常压的固氮反应，具体的操作过程为本领域的常规手段，在此不详述。在本实施方式中，流体入口包括设在绝缘介质外筒10下部的左侧设置进气口11、以及设在绝缘介质外筒10顶部端开口的液体入口13；流体出口包括设在绝缘介质外筒10上部的右侧设置出气口12、以及设在绝缘介质外筒10底部右侧的的液体出口14。

本申请中的绝缘介质外筒10作为第一介质阻挡层，绝缘介质内筒20作为第二介质阻挡层，绝缘介质外筒10与绝缘介质内筒20之间为放电区域，该反应器为双介质层介质阻挡放电结构。反应器的高压电极采用多个并联外电极40，从而增加了反应器的电极边缘数量，提高了反应器的边缘效应，有利于增大电晕放电在等离子体放电模式中所占的比例，降低放电过程中产生的电流，使得反应器能够长时间安全、稳定的运行。

在另一优选的实施方式中，绝缘介质外筒10由玻璃、石英或陶瓷等绝缘材料制成。绝缘介质内筒20由透明的绝缘材料制成，比如绝缘介质内筒20为石英管。中心电极50为环设在等离子体光源30外的导电透明薄膜，导电透明薄膜的材料可以是ITO薄膜、石墨烯导电薄膜、或者PEDOT导电薄膜等，导电透明薄膜紧密贴合在绝缘介质内筒20的内壁上。

在本实施方式中，优选等离子体光源30为紫外灯，紫外灯的功率可以为1～10W，波长可以为248nm、280nm、310nm或者340nm，具体的波长和功率可以根据实际用途确定。

上述技术方案通过设置绝缘介质内筒20，可以避免导电透明薄膜直接暴露在放电环境中，同时由于石英具有较好的透光性能，可以保证反应器最中心的紫外灯产生的紫外光透过导电透明薄膜和绝缘介质内筒20，直接作用于绝缘介质内筒20与绝缘介质外筒10之间的放电区域。

在另一优选的实施方式中，所有外电极40的宽度全部相等、不全相等或者全不相等，优选所有外电极40的宽度全部相等，比如外电极40为宽度为10～20mm的铜箔电极，铜箔电极紧紧缠绕在绝缘介质外筒10上，相邻两个外电极40之间的间隔距离为5～10mm。

在另一优选的实施方式中，绝缘介质外筒10的壁厚为1～2mm，绝缘介质外筒10的外径30～40mm，绝缘介质外筒10的长度可以根据实际需要选择。绝缘介质内筒20的壁厚为1～2mm，绝缘介质内筒20的外径为25～30mm，绝缘介质内筒20的长度可以根据实际需要选择。

在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器，其特征在于，包括具有流体入口和流体出口的绝缘介质外筒、设置在绝缘介质外筒内的封闭的绝缘介质内筒、以及安装在所述绝缘介质内筒内部的等离子体光源；

所述绝缘介质外筒的外壁上间隔的设有多个并联电性连接的外电极，所述绝缘介质内筒的内部设有中心电极。

2.根据权利要求1所述的一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器，其特征在于，多个所述外电极与高压电源连接，作为反应器的高压电极；所述中心电极与地电极相连，作为反应器的低压电极。

3.根据权利要求1所述的一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器，其特征在于，所述等离子体光源为紫外灯。

4.根据权利要求1所述的一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器，其特征在于，所述绝缘介质内筒由透明的绝缘材料制成，所述中心电极为环设在所述等离子体光源外的导电透明薄膜，所述导电透明薄膜固接在所述绝缘介质内筒的内壁上。

5.根据权利要求3所述的一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器，其特征在于，所述导电透明薄膜由ITO薄膜、石墨烯导电薄膜或PEDOT导电薄膜制成。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器，其特征在于，所述绝缘介质外筒的壁厚为1～2mm，绝缘介质外筒的外径30～40mm；所述绝缘介质内筒的壁厚为1～2mm，绝缘介质内筒的外径为25～30mm。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器，其特征在于，所有所述外电极的宽度全部相等、不全相等或者全不相等；

和/或多个所述外电极沿所述绝缘介质外筒的长度方向等间隔设置。

8.根据权利要求7所述的一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器，其特征在于，所述外电极为宽度为10～20mm的铜箔电极；

和/或相邻两个外电极之间的间隔距离为5～10mm。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器，其特征在于，所述绝缘介质外筒由玻璃、石英或陶瓷制成，所述绝缘介质内筒为石英管。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的一种多电极介质阻挡放电低温等离子体反应器，其特征在于，所述绝缘介质外筒与绝缘介质内筒同轴设置。