[发明专利]一种往复式多电离腔大气压非平衡等离子体反应器

说明书

技术领域

本发明属于气体放电与应用技术领域，涉及一种气体放电低温等离子体反应器，尤其是一种往复式多电离腔大气压非平衡等离子体反应器。

背景技术

大气压非平衡等离子体被广泛应用于高效活性氧自由基制备、臭氧合成、材料表面处理、等离子体显示、紫外光源、高功率CO₂激光器等领域，实现了传统方法难以达到的处理效果，具有重要的应用价值。与传统的低气压非平衡等离子体发生技术相比，大气压非平衡等离子体具有较高的能量利用效率，并且不需要庞大复杂的真空系统和严格密封的真空腔体，因此特别适合在工业连续性生产上应用。目前，电晕放电、微波放电和介质阻挡放电是获得大气压非平衡等离子体的主要方式，其中最具代表性的是大气压介质阻挡放电，其优点是结构简单、容易获得大空间非平衡等离子体。

大气压介质阻挡放电是目前工业中最常用的一种获得大气压非平衡等离子体的方式，特别是在工业臭氧合成领域已有一百余年的历史。在大气压介质阻挡放电体系中，利用电介质层的镇流效应可以在同一放电空间同一激励电压周期内产生数量庞大、结构尺度相近、特性相同的微放电，多数情况下这种微放电表现为微流注的放电模式，这种放电模式是最主要、最常见、也是最容易实现的放电模式。微放电寿命只有十几到几十纳秒，放电通道半径只有0.1～0.2mm，因此这种用肉眼看似均匀的放电模式实际上极不均匀，在放电时间和放电空间上的占空比都很小，结果造成部分等离子体化学反应并不能充分进行。因此，需要通过增加反应气体在电离腔中的存留时间来促使等离子体化学反应的充分进行。

延长等离子体反应器电离腔长度是增加反应气体在电离腔中存留时间的有效方法之一，但受高纯度大面积Al₂O₃电介质层制作和平板式窄间隙大气压非平衡等离子体反应器加工技术的限制，目前直接延长等离子体反应器电离腔长度还存在困难，且会造成大气压非平衡等离子体反应器体积过大，成本提高，可靠性降低。如果将较长的大气压非平衡等离子体反应器的长电离腔分解为2至5个较短的电离腔，并将这些电离腔平行叠加放置，同时通过在大气压非平衡等离子体反应器中设置导流结构，使反应气体依次通过各个分离腔体，以此延长反应气体在电离腔中的存留时间，提升等离子体化学反应的效能。另外，在每个较短的电离腔之间又加入了气体冷却结构，使反应气体在进入下一个电离腔体前温度降低，解决了等离子体化学反应目标产物因温度升高而分解的问题，提升了等离子体化学反应的效果。同时，不同的电离腔既可以采用同一激励电源供电，也可以采用独立激励的供电模式，采用独立激励的供电模式时，可以使每个电离腔的放电性能都得到优化，也可更方便地调控等离子体化学反应进程，实现不同的应用需求。

发明内容

本发明克服了现有用于等离子体化学反应的大气压非平衡等离子体反应器的不足，提供了一种往复式多电离腔大气压非平衡等离子体反应器。本发明在常规大气压介质阻挡放电非平衡等离子体反应器基础上，通过改变电离腔和冷却腔的组成结构，改善绝缘介质材料性能等方法构成多级电离腔与多级气体冷却腔的往复式大气压非平衡等离子体发生器，使反应气体的等离子体化学反应进行的更充分，提升等离子体化学反应目标产物的生成效能。

本发明的技术方案是：

一种往复式多电离腔大气压非平衡等离子体反应器，包括平板高压电极、α-Al₂O₃电介质层、平板接地电极、原料气体入口、反应气体出口、密封端组件、冷却液腔、至少二级非平衡等离子体电离腔和至少一级反应气体冷却腔。一级非平衡等离子体电离腔和二级非平衡等离子体电离腔平行设置，在两电离腔之间增设一级反应气体冷却腔，平行放置的两电离腔和冷却腔两端安装有密封端组件，用于引导反应气体由一级非平衡等离子体电离腔经由一级反应气体冷却腔进入二级非平衡等离子体电离腔，实现反应气体在大气压非平衡等离子体反应器中的往复式流动。