設有核殼結構多孔球過濾填料的等離子體凈化器的制造方法
【專利摘要】本發明屬于低溫等離子體應用領域，具體涉及一種設有核殼結構多孔球過濾填料的等離子體凈化器。其特征在于核殼結構多孔球設在等離子體放電電極之間，既作為過濾填料，又是放電中間電極。核殼結構的多孔球包括導體核、絕緣殼和催化劑涂層。絕緣殼是多孔結構，表面積大，咐附能力強，適合作過濾填料，而導體核易被電場極化，適合作為中間電極應用于氣體放電隙中。本發明分利用了核殼結構多孔球對污染物有強吸附能力和光催化能力，以及等離子體對污染物的強分解能力，既可大幅提高單次凈化效率，又能時刻保持多孔球表面的清潔度、強吸附能力和光催化能力，可廣泛應用于污水處理、健康水生產和活化水生產，以及工業尾氣、汽車尾氣和室內空氣凈化。
【專利說明】設有核殼結構多孔球過濾填料的等離子體凈化器
【技術領域】
[0001]本發明屬于低溫等離子體應用領域，具體涉及一種設有核殼結構多孔球過濾填料的等離子體凈化器。
【背景技術】
[0002]陶瓷多孔球、麥飯石多孔球和石英多孔球等具有高孔隙率和高表面積的材料，對污染物有很強吸附能力，一直被廣泛應用于水過濾系統中作為過濾填料。然而，目前采用多孔球作為過濾填料的水過濾系統中，過濾料均無有效的自清潔方法，需要定期更換新的多孔球過濾填料。定期的維護,不僅增加材料成本,也增加過濾系統的維護成本,并且,對用戶使用造成不便。一旦維護不及時，不但不能凈化水質，還可能導致水源的二次污染，安全性無保障，用戶接受度不高，影響了此類水過濾系統的大規模推廣應用。因此，多孔球過濾系統必須設置即時自清潔功能，不讓污染物長時間滯留在多孔球表面，一方面確保過濾系統在長期使用中都能時刻保持多孔球表面的清潔度和強吸附能力，安全性有保障；另一方面節省了大量維護成本和更換多孔球過濾填料的費用，提高過濾系統的使用經濟性。
[0003]然而，多孔球本身是無源過濾填料，本身不具備分解或者清理表面污染物的能力，即只收集不處理，需要考慮與其他有源凈化系統的結合才能實現系統的即時自清潔功能。
[0004]近年來，低溫等離子體技術作為一種新興的污染物處理技術，具有流程短、效率高、適用范圍廣等特點，被廣泛應用于工業廢氣處理、除塵、汽車尾氣處理、廢水處理、臭氧合成和活化水領域。低溫等離子體體技術主要是基于大氣壓放電等離子體技術，利用大氣壓放電所產生的臭氧、氧原子、羥基等活性自由基團與大氣或者水中污染源的深度氧化和分解反應，來達到脫除大氣或者水中有害物質的目的，同時伴隨紫外光解、沖擊波作用，從而脫除大氣或者水中的有機物、殺滅病菌。即利用等離子體中的各種活性自由基和紫外線的強氧化作用和滅菌效應，降解有機污染源、沉降金屬離子、殺滅病菌，對生活和工業排放的污染源均有普遍適用性，體積緊湊，投資低，不受環境限制，受到廣泛認可。
[0005]然而，目前公開的等離子體水處理裝置和方法都存在能效偏低，單位能耗高等問題，單次凈化效果遠低于預期，原因是目前用于處理污水的等離子體裝置都是基于介質阻擋放電、電暈放電、火花放電或熱平衡等離子體。一方面由于氣壓高，放電只能在局部小區域內激發等離子體，并且，碰撞頻率高、自由程短，等離子體中活性自由基擴散性差、壽命短，不易于充分與水中污染源接觸反應，因此，活性自由基的利用率不高，導致處理效率低；另一方面水流快速通過放電隙，污染物與等離子體接觸時間太短暫，或者有部分污染物沒機會與等離子體接觸，未被等離子體分解就離開放電區，因此，單次凈化效果不佳。單純增加放電強度對提高單次凈化效果并無顯著效果，反而會進一步增加能耗，如何使污染物較長時間滯留在放電區與等離子體充分接觸，才是提高單次凈化效果的有效途徑。
[0006]多孔球對污染物有強吸附能力，而等離子體則具有強分解能力，二者結合具有互補性:多孔球優先吸附污染物，使污染物不會隨水流或氣流快速離開放電區，使污染物與等離子體有充分接觸機會和分解時間，大幅提高單次凈化效果；等離子體的強分解能力能即時清潔吸附于多孔球表面的污染物，使多孔球表面在長期應用中均無污染物堆積，時刻保持表面的清潔度和強吸附能力。
[0007]將多孔球作為過濾填料置于放電區中，會擠占放電空間和水流或者氣流通道，為保證有足夠的放電空間和水流或者氣流通道，必須加大放電電極間距。然而，放電電壓與兩電極的間距成正比例關系，電極間距增大，放電電壓也隨之增加，并且，電極間加入介電常數較高的多孔球，如陶瓷球多孔球、麥飯石多孔球和石英多孔球等，強電場主要落在多孔球上，會進一步提高放電電壓，過高的放電電壓會增加等離子體發生器成本和能耗。需要采取措施，既增大了電極間的名義間距，獲得足夠的放電空間和水流或者氣流通道，并在電極間放入了高介電常數的多孔球填料，又不增加實際放電電極間距，并且，落在多孔球上的電壓占放電電壓比例還不能高。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是通過將核殼結構多孔球過濾填料填充到放電電極之間的放電隙中，優化等離子體凈化裝置的放電效率和單次凈化效率。核殼結構多孔球具有金屬核、多孔介質殼和光催化劑表面的結構特征，多孔表面具有大表面積，并且，表面涂覆了納米晶光催化劑層，進一步增大表面積，增強表面吸附能力，納米晶光催化劑還能吸收來自等離子體的紫外光，輔助分解污染物；核殼結構多孔球的金屬核則具有良好的導電率，在電場中被極化，在放電區中充當放電中間電極，使實際放電間距縮小為:
L=L0-N*D
其中，L為實際放電間距，L0為名義電極間距，N為放電電極連線上填入的多孔球個數，D為多孔球金屬核的直徑。
[0009]一方面核殼結構多孔球作為放電區的過濾填料，具有高孔隙率和大表面積，起到吸附污染物、凈化水質或者氣體的作用，提高單次凈化效果；另一方面，多孔球又充當兩組放電電極之間的中間電極，縮小實際放電電極間距，降低放電電壓，提高放電效率。
[0010]所述的一種設有核殼結構多孔球過濾填料的等離子體凈化器，如圖1所示，包括過濾填料101、地電極102、高壓電極103、外介質管104、內介質管105、高壓電源106、進水/氣口 107、出水/氣口 108 ;其特征在于同軸結構的外介質管104和內介質管105之間的放電隙中填充有過濾填料101 ;過濾填料101中設有核殼結構多孔球；核殼結構多孔球由金屬核201、絕緣殼202和光催化劑涂層203組成，金屬核201外表面緊密包裹了多孔結構的絕緣殼202，絕緣殼202表面設有納米晶光催化劑涂層203 ;外介質管104外表面設有地電極102，地電極102與高壓電源106共地，內介質管105內設有高壓電極103，高壓電極103接高壓電源106的高壓輸出端，外介質管104 —端開口，設有進水/氣口 107，另一端與內介質管105的管壁燒接在一起，靠近接口處設有出水/氣口 108，內介質管105的另一端自封閉。核殼結構多孔球作為過濾填料設置于電極之間的放電隙中，核殼結構多孔球對污染物有強吸附能力和光催化能力，與具有強分解能力的等離子體結合，可大幅提高單次凈化效果，并能時刻保持多孔球表面的清潔度、強吸附能力和光催化能力；核殼結構多孔球同時作為放電結構的中間電極，可增大放電間隙寬度，獲得大體積等離子體，還不會顯著增加放電電壓，從而提高放電效率，因此，優化了等離子體凈化裝置的放電效率和單次凈化效果。
[0011]所述的同軸結構的外介質管104和內介質管105之間的放電隙中設有多孔球過濾填料，多孔球直徑范圍在3-20_。放電隙寬度與工作氣壓和凈化器用途(水凈化或者氣體凈化)相關，按照放電寬度和凈化器用途選擇大小合適的過濾填料，多孔球直徑的優先范圍在3_20mm。
[0012]所述的過濾填料101是核殼結構多孔球，或者核殼結構多孔球與麥飯石多孔球、陶瓷多孔球和石英多孔球中的一種或者幾種以任何比例混合的填料。過濾填料101兼作放電的中間電極，因此，必須包含核殼結構多孔球，根據凈化器的用途以及多孔球的催化特性，還可摻入麥飯石多孔球、陶瓷多孔球和石英多孔球中的一種或者幾種，以增強凈化效率。
[0013]所述的核殼結構多孔球是由金屬金屬核201、多孔陶瓷絕緣殼202和T12納米晶光催化劑涂層203組成，如圖2所示。作為放電中間電極的金屬核除了有導電性外，還可以具有磁性，用于水凈化，還可能獲得磁化健康水。
[0014]所述的外介質管104和內介質管105是同軸結構，其主要成份是S12或者A1203。介質管必須絕緣，同時又不容易被等離子體刻蝕出來對水造成二次污染，S12和Al2O3是常用的穩定性良好的廉價玻璃體或者陶瓷體材料。
[0015]所述的出水/氣口 108有一個或者多個，設置在外介質管104與內介質管105燒接口處附近。進水/氣口 107和出水/氣口 108應該分設同軸放電管兩端，讓水/氣在等離子體中的運動距離最大化，增強處理效率，由于出水/氣口 108直徑較進水/氣口 107小，有必要多設置1-3個，增加水/氣排出能力。
[0016]所述的同軸結構的外介質管104和內介質管105是垂直放置。凈化器應用于水凈化時，水需要借助重力自上而下流過放電隙，因此，凈化器需要垂直放置。
[0017]所述的外介質管104和內介質管105之間的放電隙中的氣壓范圍是大氣壓到13Pa0根據凈化器用途對等離子體密度、溫度和體積的要求，以及放電隙寬度，優選放電隙的工作氣壓，在等離子體凈化器用于水活化處理時，放電隙工作氣壓可低至103Pa。
[0018]所述的外介質管(104)和內介質管(105)之間的放電隙寬度范圍是5_50mm。在需要在放電隙中填入填塞料料，放電隙的寬度需要適當增加寬度，配合工作氣壓的選擇，放電隙寬度范圍可在5-50mm之間調節。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1、設有核殼結構多孔球過濾填料的等離子體凈化器縱切面示意圖。
[0020]圖2、核殼結構多孔球切面示意圖。
[0021]圖中101-過濾填料，102-地電極，103-高壓電極，104-外介質管，105-內介質管，106-高壓電源，107-進水/氣口，108-出水/氣口，201-金屬核，202-絕緣殼，203-催化劑涂層。
【具體實施方式】
[0022]本發明的【具體實施方式】如圖1所示:
將制成的過濾填料101應用于如圖1所示等離子體水/氣體凈化裝置中。放電裝置主體結構是，同軸燒接在一起的兩支石英管分別作為放電的外介質管104和內介質管105，外介質管104外設有地電極102，內介質管內設有高壓電極103，核殼結構多孔球過濾填料101設在外介質管104和內介質管105之間的放電隙中，高壓電源的高壓輸出端接高壓電極103，高壓電源與地電極102共地。外介質管104向上開口為進水/氣口 107，底部側開口為出水/氣口 108。
【權利要求】
1.一種設有核殼結構多孔球過濾填料的等離子體凈化器，包括過濾填料(101)、地電極(102)、高壓電極(103)、外介質管(104)、內介質管(105)、高壓電源(106)、進水/氣口(107)、出水/氣口(108);其特征在于同軸結構的外介質管(104)和內介質管(105)之間的放電隙中填充有過濾填料(101);過濾填料(101)中設有核殼結構多孔球；核殼結構多孔球由金屬核(201)、絕緣殼(202)和光催化劑涂層(203)組成，金屬核(201)外表面緊密包裹了多孔結構的絕緣殼(202)，絕緣殼(202)表面設有納米晶光催化劑涂層(203);外介質管(104)外表面設有地電極(102)，地電極(102)與高壓電源(106)共地，內介質管(105)內設有高壓電極(103)，高壓電極(103)接高壓電源(106)的高壓輸出端，外介質管(104)—端開口，設有進水/氣口( 107)，另一端與內介質管(105)的管壁燒接在一起，靠近接口處設有出水/氣口( 108)，內介質管(105)的另一端自封閉。
2.如權利要求1所述的設有核殼結構多孔球過濾填料的等離子體凈化器，其特征是所述的同軸結構的外介質管(104)和內介質管(105)之間的放電隙中設有多孔球過濾填料，多孔球直徑范圍在3-20mm。
3.如權利要求1所述的設有核殼結構多孔球過濾填料的等離子體凈化器，其特征是所述的過濾填料(101)是核殼結構多孔球，或者是核殼結構多孔球與麥飯石多孔球、陶瓷多孔球和石英多孔球中的一種或者幾種以任何比例混合的填料。
4.如權利要求1所述的設有核殼結構多孔球過濾填料的等離子體凈化器，其特征是所述的核殼結構多孔球是由金屬核(201)、多孔陶瓷絕緣殼(202)和Ti02納米晶光催化劑涂層(203)組成。
5.如權利要求1所述的設有核殼結構多孔球過濾填料的等離子體凈化器，其特征是所述的外介質管(104)和內介質管(105)是同軸結構，其主要成份是S12或者Al2O315
6.如權利要求1所述的設有核殼結構多孔球過濾填料的等離子體凈化器，其特征是所述的出水/氣口( 108)有一個或者多個，設置在外介質管(104)與內介質管(105)燒接口處附近。
7.如權利要求1所述的設有核殼結構多孔球過濾填料的等離子體凈化器，其特征是所述的同軸結構的外介質管(104)和內介質管(105)是垂直放置。
8.如權利要求1所述的設有核殼結構多孔球過濾填料的等離子體凈化器，其特征是所述的外介質管(104)和內介質管(105)之間的放電隙中的氣壓范圍是大氣壓到103Pa。
9.如權利要求1所述的設有核殼結構多孔球過濾填料的等離子體凈化器，其特征是所述的外介質管(104)和內介質管(105)之間的放電隙寬度范圍是5-50_。
【文檔編號】B01D53/32GK104162348SQ201310186966
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年5月20日 優先權日:2013年5月20日
【發明者】孫紅梅, 區瓊榮 申請人:孫紅梅