專利名稱：氧活性粒子在氣體中形成羥基自由基設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于氣體電離放電、等離子體化學(xué)和環(huán)境工程應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及氣體中氧活性粒子形成羥基自由基設(shè)備。
背景技術(shù)：
氣體中存在化學(xué)性污染物和生物性污染物。化學(xué)污染物是指芳香族化合物(甲苯、二甲苯、對二氯苯等)，有機(jī)鹵化物(四氯乙烯、氯甲烷等)；醇類(甲醇、乙醇、氯代乙醇等)；酮類(丙酮、甲基乙基酮等)；酸類(甲醛、乙醛等)；酯類(乙酸乙酯)；醚類(甲基醚、乙醚、丙醚、基醚、丙基醚)；有機(jī)鹵化物(氯丹、對二氯苯、七氯等)。生物性污染物是指細(xì)菌、霉菌、鏈球菌、咤肺軍團(tuán)菌和塵螨等，以及氣體二氧化硫、氮氧化物等無機(jī)污染物。通常采用吸附、光催化、負(fù)離子、臭氧等凈化方法。這些方法中有效、可行的方法是臭氧凈化方法。由于臭氧氧化還原電位為2. 07V，是有選擇性分解、氧化污染物，只能處理氣相中部分污染物；它與污染物反應(yīng)速率常數(shù)僅為IO-1IAmol · s IO2IAmol · s，臭氧在氣相中殺滅曲霉菌時間達(dá)到IOOmin左右，可見，現(xiàn)有氣體凈化技術(shù)中最有效是臭氧氣體凈化技術(shù)，但是該技術(shù)尚存在如下不足之處，氧化還原電位僅為2. 07V;反應(yīng)速率常數(shù)太低，僅為 IO-1IAmol · s IO2IAmol · s,比羥基自由基· OH要低7個數(shù)量級，所以說臭氧是有選擇地氧化分解污染物以及有選擇殺滅微生物；反應(yīng)速率常數(shù)低，反應(yīng)時間高達(dá)20min lOOmin， 可見臭氧氣體凈化方法難以滿足當(dāng)前氣體凈化需要。目前的氣體凈化方法存在問題1)對氣體中污染物有選擇性的凈化。即是一種氣體凈化方法治理一種或幾種污染物，常常是采用幾種空氣凈化方法協(xié)同作用來實現(xiàn)氣體凈化目的；2)現(xiàn)有氣體凈化技術(shù)的反應(yīng)速率常數(shù)很低，氣體凈化反應(yīng)時間長達(dá)20min lOOmin，難以實現(xiàn)在線快速氣體凈化；3)現(xiàn)有氣體凈化設(shè)備體積龐大，一次性投資和運行成本高；4)需要外加催化劑、吸收劑、氧化還原劑等，以便增加反應(yīng)速率和提高選擇性。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是解決氣態(tài)中形成羥基自由基方法不足之處，提供氣體中氧活性粒子形成羥基自由基設(shè)備。此實用新型是把高濃度小流量的氧活性粒子〔02+、03、O(1D)、 O(3P)等〕注入管道或容器中，氧活性粒子中O2+與氣體中水反應(yīng)生成高初始反應(yīng)速率常數(shù) 2. 2 XlOVmol · s的過氧羥基離子H02_引發(fā)劑，氧活性粒子與H02_進(jìn)行等離子體反應(yīng)生成以· OH為主的活性粒子基團(tuán)，氧化分解氣體中有機(jī)污染物以及致死、滅活微小生物、細(xì)菌以及病毒。由于其反應(yīng)速率常數(shù)高達(dá)107L\mol · s 10lclL\mol · s，可在Ims IOs內(nèi)氧化分解氣體中有機(jī)污染物；致死、滅活微小有害生物及病毒，實現(xiàn)了快速無選擇消除氣體污染物；羥基自由基· OH氧化電位高達(dá)2. 80V，幾乎與氟(2.87V)相當(dāng)，將無選擇性消除氣體中化學(xué)和生物污染，最終分解成C02、H2O和微量無機(jī)鹽。符合綠色化學(xué)12原則，并達(dá)到高級氧化技術(shù)要求，本實用新型實現(xiàn)了不用氧化劑、催化劑和還原劑，不產(chǎn)生任何再污染的副產(chǎn)品，不對環(huán)境產(chǎn)生任何負(fù)面影響的氣體綠色、快速凈化新方法。本實用新型解決其技術(shù)所采用技術(shù)方案是該設(shè)備是由氧活性粒子產(chǎn)生器、高頻高壓電源、氣道或反應(yīng)器等組成，氧活性粒子產(chǎn)生器是采用窄間隙介質(zhì)阻擋放電方式，其放電間隙為0. 5mm 0. 05mm。氧活性粒子產(chǎn)生器2制取的02+、03、O(1D)、O(3P)等氧活性粒子6注入氣道8或反應(yīng)器10，其中O2+等與氣體中水分子發(fā)生等離子體化學(xué)反應(yīng)生成過氧羥基離子引發(fā)劑H02_，氧活性粒子在引發(fā)劑 HOf作用下形成羥基自由基· 0H，其方案如圖1、2、3所示。本實用新型采用強電場電離放電方法，把小流量氧氣制取高濃度(lX107/Cm3 4X IO1Vcm3)的OAC^O(1DhC)(3P)等氧活性粒子6注入氣道8 (或反應(yīng)器10)中，氧活性粒子中O2+等與氣體7中的水分子發(fā)生等離子體化學(xué)反應(yīng)，生成高濃度(107cm3 IOlfVcm3)、 高初始反應(yīng)速率常數(shù)(2. 2XlOVmol · s)的H02_過氧羥基離子引發(fā)劑，0^(^0( )、0(3P) 等氧活性粒子6與引發(fā)劑HO2-反應(yīng)生成濃度為IOVcm3 IO1Vcm3的· 0H，它在0. Ols IOs時間內(nèi)把氣道8或反應(yīng)器10中污染物氧化消除，實現(xiàn)不用催化劑、吸收劑、還原劑及其它傳統(tǒng)方法協(xié)同作用，· OH氧化消除氣體7中污染物，消除率達(dá)到85% 99.8%，從圖1、2 可見，在氣道或反應(yīng)器中形成· OH方法和裝置是本實用新型的關(guān)鍵技術(shù)與裝置。本實用新型的活性粒子注入氣道或反應(yīng)器中的等離子體反應(yīng)生成· OH模式如圖3所示。此方案將為解決目前在氣體中形成羥基自由基存在的問題提供一種有效、可行的新設(shè)備、新技術(shù)。實施本實用新型的具體步驟是1.氧活性粒子制取。本實用新型關(guān)鍵技術(shù)是氧活性粒子產(chǎn)生器并新研制產(chǎn)生高濃度O2+、03、O(1D)、 O(3P)等氧活性粒子6的氧活性粒子產(chǎn)生器2。它是由放電極板、接地極、電介質(zhì)層和隔片等部件組成。放電極、接地極是用鈦或不銹鋼加工成，并用冷卻液體調(diào)控等離子體反應(yīng)過程的溫度。本實用新型采用介質(zhì)阻擋強電場電離放電方法把A制成濃度達(dá)到1 X IOVcm3 4X IO1Vcm3的氧活性粒子，在放電極與接地極之間的0. 5mm 0. Olmm放電間隙中建立折合電場強度在200Td 400Td范圍內(nèi)電離放電場，電子從電場中獲得平均能量達(dá)到6eV 9eV，其中大部分電子所具有的最有用能量(8. 4eV 12. 5eV)將沉積在O2上，足以把O2離解、電離成高濃度活性粒子，并在電場參數(shù)調(diào)控下分別定向生成氧活性粒子02+、03、O(1D)、 O(3P)等。產(chǎn)生氧活性粒子等離子體反應(yīng)模式如圖3中所示，向煙道中提供02+、03、O(1D)、 O(3P)等氧活性粒子6濃度達(dá)到1 X IOVcm3 4 X IO1Vcm3 ；2.氣道8或反應(yīng)器10中引發(fā)劑HO2-的形成。氧活性粒子中O2+等與氣體7中水分子反應(yīng)生成HO2-引發(fā)劑，其等離子體反應(yīng)模式如圖3所示。H2O2與H02_處于一種平衡反應(yīng)狀態(tài)，在氣道或反應(yīng)器中形成引發(fā)劑H02_的濃度達(dá)到 IOVcm3 IO1Vcm303.氣道或反應(yīng)器·0Η氧化消除污染物。氣道8或反應(yīng)器10中形成以·0Η為主的活性粒子基團(tuán)氧化消除氣體中污染物Μ,污染物最終分解成C02、H2O和微量無機(jī)鹽。本實用新型的效果和益處是把氧活性粒子注入氣道或反應(yīng)器中與氣體中水分子反應(yīng)生成· 0H，此反應(yīng)是把高級氧化技術(shù)從水處理領(lǐng)域擴(kuò)展到新的氣體領(lǐng)域。由于其化學(xué)反應(yīng)速率快，比目前的氣體凈化方法高出7個數(shù)量級以上，所以消除污染物的化學(xué)反應(yīng)時間僅為0. Ols 10s，因而流程縮短，設(shè)備減少，這將大幅度降低設(shè)備投資和運行成本、降低能耗；實現(xiàn)了不用外加催化劑、吸收劑和還原劑的快速綠色氣體凈化；降低了運行成本，又不發(fā)生新的環(huán)境污染，解決了目前氣體凈化技術(shù)的難題，因而做到了環(huán)境零污染、零廢物排放，達(dá)到了高級氧化技術(shù)原則要求；有利于解決我國氣體凈化能耗高凈化效率低和體積龐大等問題。

圖1是氧活性粒子注入氣道中形成羥基自由基設(shè)備示意圖。圖2是氧活性粒子注入反應(yīng)器中形成羥基自由基設(shè)備示意圖。圖3是氣道或反應(yīng)器中生成· OH的等離子體化學(xué)反應(yīng)模式圖。圖4是氧活性粒子與污染物摩爾比η對消除污染率影響的曲線圖。圖5是氣道中水體積濃度對消除污染物影響的曲線圖。圖6是煙氣溫度對消除污染物影響的曲線圖。圖中1.氧氣；2.氧活性粒子產(chǎn)生器；3.高壓電纜；4.高頻高壓電源；5. 220V ； 6. OAOyO(1DhC)(3P)等氧活性粒子；7.氣體；8.氣道；9.凈化氣體；10.反應(yīng)器。
具體實施方式
下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本實用新型的具體實施例。本實用新型總體實施方案如圖1、2所示。把氧氣1離解、電離后形成02+、03、0(力)、 O(3P)等氧活性粒子6的氧活性粒子產(chǎn)生器2。本實用新型的氧活性粒子生成及注入氣道8 或反應(yīng)器10中的生成羥基自由基等離子體化學(xué)反應(yīng)模式如圖3所示。把小流量氧氣1注入氧活性粒子產(chǎn)生器2，高頻高壓電是由高頻高壓電源4施加到放電極板上，在放電間隙中形成折合電場強度達(dá)到200Td 400Td的強電離電場，氧氣1 經(jīng)離解、電離后形成濃度達(dá)到1 X IOVcm3 4X IO1Vcm3的O2+、O3^O(1D) ,O(3P)等氧活性粒子6，其中O2+與氣體中水反應(yīng)生成HO2-引發(fā)劑濃度達(dá)到IOVcm3 1016/cm3o 02+、03、0鄺)、 O(3P)等氧活性粒子6與H02_引發(fā)劑進(jìn)行等離子體化學(xué)反應(yīng)生成·0Η，其濃度達(dá)到107cm3
1 A18 / 3
10 /cm。本實用新型實施結(jié)果如圖4 6所示。從圖4的氧活性粒子與污染物摩爾比η對污染物消除率影響的曲線可知，當(dāng)氧活性粒子與污染物摩爾比為4時，污染物消除率達(dá)到 97. 1%;當(dāng)η = 2時，消除率達(dá)到91. 5%。從圖5可見，氣體中水體積濃度低于4%時，對污染物消除率的影響較大，當(dāng)水體積濃度大于8%時，則水體積濃度對污染物消除率幾乎沒有影響。從圖6可見，氣體溫度低于60°C時則對污染物消除率幾乎無影響，大于70°C時成線性下降。
權(quán)利要求1. 一種氧活性粒子在氣體中形成羥基自由基設(shè)備，其特征是該設(shè)備是由氧活性粒子產(chǎn)生器O)、高頻高壓電源、氣道(8)或反應(yīng)器(10)組成，氧活性粒子產(chǎn)生器由放電極板、接地極、電介質(zhì)層和隔片組成，放電極、接地極是用鈦或不銹鋼加工成；氧活性粒子產(chǎn)生器是采用窄間隙介質(zhì)阻擋放電方式，其放電間隙為0. 5mm 0. 05mm。
專利摘要一種氧活性粒子在氣體中形成羥基自由基設(shè)備，屬于氣體電離放電、等離子體化學(xué)和環(huán)境工程應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。它是由氧活性粒子產(chǎn)生器、高頻高壓電源、氣道(或反應(yīng)器組成)，其特征是氧活性粒子產(chǎn)生器制取的濃度為1×107/cm3～4×1018/cm3氧活性粒子〔O2+、O3、O(1D)、O(3P)等〕注入氣道或反應(yīng)器中，其中O2+與氣體中H2O反應(yīng)生成HO2-引發(fā)劑，氧活性粒子與引發(fā)劑HO2-進(jìn)行等離子體反應(yīng)生成·OH，其反應(yīng)時間為1μs～1ms；·OH氧化消除氣體中污染物，其反應(yīng)時間在0.01s～10s。本實用新型的效果和益處是解決了目前氣體消除污染物存在的問題，實現(xiàn)了不用催化劑、吸收劑和還原劑，不對環(huán)境產(chǎn)生任何負(fù)面影響的氣體凈化的新設(shè)備。
文檔編號A61L9/015GK202087222SQ20102063133
公開日2011年12月28日 申請日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者冷宏, 毛首蕾, 王永偉, 白敏冬, 白敏菂 申請人:大連海事大學(xué)