[发明专利]一种基于催化剂反电晕沿面击穿的等离子体发生装置及方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于等离子体发生技术领域，具体涉及一种基于催化剂反电晕沿面击穿的等离子体发生装置及方法。

背景技术

等离子体是完全电离或部分电离、电荷数近于相等的正负带电粒子和中性粒子的物质聚集态。等离子体能够产生活性成分，引起常规化学反应中难于实现的物理变化和化学反应。等离子体和催化剂结合可产生协同作用，促进催化反应的进行。

低温等离子体产生方法有很多种，如强电场、激光、微波、高能粒子轰击、加热等。电晕放电和介质阻挡放电是最常用的低温等离子体产生方法。电晕放电的主要问题是该方法注入反应器的能量较低，产生的等离子体很微弱，且非常不均匀，其强电场、电离和发光仅存在于电极附近；而介质阻挡放电的主要问题是能效低。在电除尘领域，电除尘器运行过程中会出现一种降低电除尘效果的反电晕现象。该现象的产生机理为：电除尘器对气流中的粉尘荷电，带电荷的粉尘在电场作用下被收集到极板；当粉尘的比电阻较高时，粉尘上的电荷难于释放到极板上，引起电荷累积，粉尘层和收尘极板之间场强达到约10kV/cm时，粉尘层局部被击穿，发生点状放电，由气体放电产生电晕光，出现反电晕现象。由反电晕的产生机理可知，反电晕可以产生等离子体。反电晕发生时，电晕电流迅速增大，使得放电功率增大，由此，反电晕可用于产生高密度等离子体。若在催化剂上产生反电晕，可使等离子体和催化剂紧密结合，增强等离子体和催化剂的协同作用。

目前，低浓度、大风量的有机废气的净化处理，传统处理技术如吸附、吸收、热催化和焚烧等技术不同程度地存在处理效率低、能耗高和运行费用高等问题。低温等离子体处理有机废气效率高、成本低，被认为是一种非常有前途的净化处理技术。等离子体催化技术用于有机废气净化处理已有较多的研究，其等离子体发生方式主要采用介质阻挡放电、电晕放电和脉冲放电，反应器按结构分为一段式和两段式。一段式的特点是催化剂置于等离子体区内，等离子体和催化剂的结合较好，但存在副产物排放问题。两段式的特点是催化剂置于等离子体区后，只有长寿命的物种才能到达催化反应区，并且前段产生的气溶胶会沉积在催化剂表面，覆盖活性位，降低废气净化效率。目前公开报道的等离子体催化技术，主要是基于先产生等离子体，再作用于催化剂这种模式。由于等离子体产生的活性粒子寿命极短，绝大部分活性粒子在到达催化剂表面前就已消亡，等离子体与催化剂的相互作用较弱。同时，等离子体区内活性粒子的产生与消亡需消耗能量，这也降低了反应器的能量效率。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于催化剂反电晕沿面击穿的等离子体发生装置及方法，能够直接在催化剂上产生大量等离子体，为两者协同作用提供了有利的条件。

一种基于催化剂反电晕沿面击穿的等离子体发生装置，包括等离子体发生器和高压电源；所述的等离子体发生器内设有由电晕电极与多孔电极组成的高低压电极对，所述的高低压电极对间设有高比电阻催化剂层，所述的高压电源与高低压电极对相连接。

所述的高比电阻催化剂层采用比电阻大于1×10⁷Ω·cm的固体催化剂，如氧化铝等；此类催化剂主要特征在于材料的价电子不容易自由迁移，在高压电场下也不容易导电。

所述的电晕电极为尖端电极或线电极，如形式为点、针、线或网的电极。

所述的高压电源的供电方式采用直流供电、交流供电、脉冲供电、直流叠加交流供电、直流叠加脉冲供电或交流叠加脉冲供电。

高压电源与高低压电极对相连接，其连接方式可根据实际需要进行调整，既可以与电晕电极相连接，也可以与多孔电极相连接，也可同时与电晕电极和多孔电极相连接。高压电源供电，既可在电晕电极处产生电晕放电，又可对电晕放电区域和催化剂层施加高压电场，驱使电晕放电产生的电荷对高比电阻催化剂荷电。

优选地，所述的电晕电极与高比电阻催化剂层之间设有辅助电极，能够使电场分布更为均匀，抑制电晕放电向火花放电发展；所述的辅助电极连接有辅助电源，能够提供反电晕触发电场，促进催化剂反电晕沿面击穿。辅助电源与辅助电极相连接，与高低压电极对上相连接的高压电源共同对高比电阻催化剂层起作用，使反电晕发生；辅助电源采用交流或脉冲电源时，主要起触发反电晕发生的作用；当高低压电极对上施加的高压电源产生的场强已足够使催化剂反电晕沿面击穿发生时，辅助电源可不接通；此时，辅助电极作为悬浮电极，起重新分布电场的作用。

优选地，所述的高比电阻催化剂层中的催化剂为蜂窝状或泡沫状结构；此类结构的催化剂能够提供较多的孔道和表面积，从而提供更多的电荷附着表面，使催化剂更容易被荷电。