專利名稱：使用非平衡等離子體的氣體處理方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用通過表面放電電極產生的非平衡等離子體的氣體處理方法和裝置。
本申請要求日本專利申請No.2003-364898的優先權，在此將該申請的內容引入作為參考。
背景技術：
一般性廢料和工業廢棄物焚燒爐所排出的廢氣包括例如NOX、SOX和二惡英的有害化學物質。為了避免環境污染和對人體產生不期望的影響，要求通過分解處理，使含有害化學物質的有害氣體成為無害氣體之后，再排放到大氣中。
通常地，已開發出了不同的氣體處理方法作為分解處理有害氣體的方法，在其中，開發了一種利用放電的特定的氣體處理方法，并已投入實際應用。該氣體處理方法的優點在于它不需要進行氣體處理的后處理，裝置尺寸也可以減小。
在使用放電的氣體處理方法中，可以使用熱等離子體和非平衡等離子體(或低溫等離子體)。特別地，使用非平衡等離子體的氣體處理方法的特征在于只有電子能量(或電子溫度)較高，而離子能量和分子能量(或者離子溫度和分子溫度)較低。因此，使用非平衡等離子體的氣體處理方法的優點在于，由于在高電子溫度的平常溫度下處理氣體，因此，可應用于不適用高溫條件的特定材料和條件，其中這樣的非平衡等離子體裝置也容易制造。使用熱等離子體的氣體處理方法可能產生通常難以產生的自由基，從而實現特定的化學反應。
為了產生非平衡等離子體，可以使用例如電暈放電、無聲放電、光點放電(或者填充床(a packed-bed)型放電)、表面放電、脈沖流光放電(需要高壓脈沖發生器)等等放電方法。
特別地，當在低于大氣壓下產生非平衡等離子體時，必須使用脈沖流光放電、無聲放電和表面放電中的一種。其中，經常使用的是表面放電，因為其在電極形狀設計方面具有相對高的自由度。
圖12示意性地給出了通常已知的表面放電電極的結構，其具有圓筒形狀。
一般來說，圖12的表面放電電極具有一個圓筒形的接地電極1；一個圓筒形的，包圍該接地電極1的介電構件2和多個表面電極3，這些表面電極布置在介電構件2的內圓周表面的附近。通過導線4將接地電極1和表面電極3與電源5連接。
在表面放電電極中，如圖13所示，當電源5在接地電極1和表面電極3之間施加電壓時，在表面電極3的表面上產生非平衡等離子體，從而形成等離子體層6。當將氣體“g”(在下文中稱為作業氣體)例如廢氣和包括諸如NOX、SOX及二惡英的有害化學物質的有害氣體被引入等離子體層6時，通過使用非平衡等離子體的分解處理，作業氣體g就可能成為無害的。
日本專利公開No.2001-38138公開了一種包括蜂窩狀結構的材料處理裝置，其中包括在一個絕緣體內形成的多個彼此平行的允許氣體通過其中的通孔；產生放電等離子體的電極和用于施加電壓使電極產生放電等離子體的電源。可以用這樣一種方式修改該材料處理裝置，使得形成的通孔與電極平行，或者垂直于電極形成通孔。此外，將電極設計成具有各種形狀，例如圓筒形、平板形和線形。
由于能量效率低、產生不期望的中間產品和分解處理效率低，常規的氣體處理方法存在各種問題。
特別地，由于需要高壓脈沖發生器來產生具有激增的脈沖，脈沖流光放電需要相對高的成本并且是不實用的。
為了提高分解處理的效率，可以提供使用光催化劑例如二氧化鈦和使用例如鋁的吸附劑的各種方法；然而，通常不能提供作為催化劑和吸附劑兩者都具有高效率的物質。由于不能抑制氮氧化物(NOX)的產生，因此使用光催化劑例如二氧化鈦的光點放電(或者填充床型放電)具有很多問題。因此，前述的問題還沒有解決。
發明內容
本發明的目的是提供一種以相對低的成本使用由放電電極產生的非平衡等離子體進行氣體處理的方法和裝置。
本發明的氣體處理方法的特征在于將多個光催化劑構件布置在處理氣體被引入和進行分解的非平衡等離子體區域中，每個光催化劑構件包括光催化劑、固態物質(不含光催化劑)和另一種催化劑(不含光催化劑)。也就是說，作業氣體可以由非平衡等離子體直接分解，也可以由非平衡等離子體激發的光催化劑分解，由此能夠提高作業氣體的分解效率。這里，優選地光催化劑構件以固態的形態，其中光催化劑可被單獨地使用，或者由另一種催化劑來支持。該催化劑(不含光催化劑)包括選自銀、金、鈰、鈷、鉻、銅、鐵、鋰、鎳、錳、鉬、鈀、鉑、銠、釩、鎢和鋅中的一種或兩種或多種成分。此外，另一種催化劑包括5％重量百分比的選自銀、金、鈰、鈷、鉻、銅、鐵、鋰、鎳、錳、鉬、鈀、鉑、銠、釩、鎢和鋅中的一種成分或兩種或多種成分，其由指定的催化劑載體來支持，該催化劑載體的比表面積是10m2/g或更大。
優選地，光催化劑由氧化鈦組成，該氧化鈦能夠被紫外線輻射或可見光輻射激發。此外，優選地固態物質由選自吸附多孔物質、介電物質、粘土物質和合成樹脂中的一種或兩種或多種成分制成。這里，吸附性多孔物質具有200m2/g或更大的比表面積，優選地由選自HY沸石、HX沸石、H絲光沸石、石英氧化鋁和金屬硅酸鹽中的一種或兩種或多種成分制成。或者，吸附多孔物質具有200m2/g或更大的比表面積，優選地由選自石英氧化鋁、沸石、硅膠、氧化鋯和氧化鈦中的一種或兩種或多種成分制成。優選地，非平衡等離子體由脈沖流光放電、無聲放電和表面放電中的任何一種來產生。通過使用上述放電，能夠抑制在分解作業氣體過程中產生的氮氧化物和一氧化碳的量。
適合于本發明的氣體處理裝置的表面放電電極包括一個接地電極、一個絕緣體和多個表面電極，其中將多個光催化劑構件布置在非平衡等離子體區域中，每個光催化劑構件包括光催化劑、固態物質和另一種催化劑。
如上所述，將電壓施加在接地電極和表面電極之間，然后將作業氣體引入非平衡等離子體區域，利用非平衡等離子體和由非平衡等離子體激發的光催化劑分解作業氣體。這樣能夠提高對作業氣體的分解效率。
本發明僅僅通過布置多個光催化劑構件，就能夠容易地實現，其中每個光催化劑構件包括光催化劑、固態物質和另一種催化劑；因此，本發明的氣體處理裝置不需要例如高壓脈沖發生器的昂貴設備，從而能夠容易地降低廢氣分解的成本。
表面放電電極設計為將絕緣體緊密地連接在圓筒形的接地電極的內圓周壁面上，表面電極由螺旋形線圈構成，該螺旋形線圈沿絕緣體的內圓周壁以和‘圓筒形’接地電極同軸的方式布置。或者，接地電極包圍在絕緣體中，并將一對表面電極彼此相對布置，以便將該絕緣體緊緊地夾持在其間。
由于將光催化劑構件充分地布置并保持在非平衡等離子體區域中，由于非平衡等離子體和由非平衡等離子體激發的光催化劑的共同作用，能夠有效地分解引入到該非平衡等離子體的作業氣體；因此，能夠提高作業氣體的分解效率。
此外，能夠布置多個表面放電電極，每個表面放電電極具有在厚度方向形成的可從其中穿過的多個通孔，使電極之間具有指定的間隔，每個間隔內填充多個光催化劑構件。這里，作業氣體穿過表面放電電極的通孔，然后與光催化劑構件接觸，通過非平衡等離子體和由非平衡等離子體激發的光催化劑的共同作用，有效地分解作業氣體；因此，能夠進一步提高作業氣體的分解效率。
參考下面的附圖，將更加詳細地描述本發明的這些和其它目的、方面以及實施方案，附圖中圖1示意性地給出了根據本發明第一實施方案在氣體處理裝置中使用的表面放電電極的結構；圖2示意性地給出了根據本發明第二實施方案在氣體處理裝置中使用的表面放電電極的結構；圖3示意性地給出了在第二實施方案中使用的適合于表面放電電極的變型結構；圖4是一個截面圖，其表示根據本發明第三實施方案的氣體處理裝置的主要部件；圖5A是一個平面視圖，其表示適合于第三實施方案表面放電電極的主要部件的布置；圖5B是在圖5A中所示的表面放電電極的前視圖；圖5C是沿著圖5B中C-C線的截面圖；
圖5D是與電源連接的表面放電電極的前視圖；圖6是一個截面圖，其表示用于檢驗和評估在第一至第三實施方案中使用的光催化劑的特性的檢驗設備的主要部件；圖7是在光催化劑的特性評估中苯(C6H6)的濃度隨時間變化的曲線圖；圖8是在光催化劑的特性評估中一氧化碳(CO)的濃度隨時間變化的曲線圖；圖9是在光催化劑的特性評估中二氧化碳(CO2)的濃度隨時間變化的曲線圖；圖10是在光催化劑的特性評估中一氧化二氮(N2O)的濃度隨時間變化的曲線圖；圖11是在光催化劑的特性評估中臭氧(O3)的濃度隨時間變化的曲線圖；圖12示意性地給出了通常已知的表面放電電極；以及圖13是一個截面圖，它示意性地給出了在圖12中表示的表面放電電極的操作。
具體實施例方式
下面將參考附圖以示例方式進一步詳細描述本發明。
1.第一實施方案圖1示意性地給出了根據本發明第一實施方案在氣體處理裝置中使用的表面放電電極的結構。
如圖1所示，表面放電電極11大體形成為如盤形的平板電極，其中它包括薄盤形接地電極12、包含接地電極12的厚盤形絕緣體13、在絕緣體13的上表面(或者主要表面)13a上形成的多個螺旋形表面電極14和多個光催化劑構件15，每個光催化劑構件包含光催化劑和固態物質(不含光催化劑)，并且在非平衡等離子體區域R布置這些光催化劑構件，其中通過導線16將接地電極12和表面電極14與電源17連接。
上述表面電極11在其外形和尺寸上沒有必須的限制，可以根據對作業氣體的類型、數量和流動速度的考慮，適當地進行確定。
接地電極12形成為如盤的平面平板電極，該電極大體上布置在絕緣體13的中心，其中接地電極的厚度范圍從0.1mm到1mm。
接地電極12由例如銅、不銹鋼、鎢、銀和鈦的導電且耐熱的材料組成。
絕緣體13形成為矩形形狀的平板，其厚度范圍從1.0mm到5.0mm。
絕緣體13由例如玻璃、氧化鋁、石英、鈦酸鋇和氧化鈦的無機絕緣材料組成。
表面電極14用作一個螺旋形平面平板電極，其以封閉狀態與絕緣體13的上表面連接，并與接地電極12平行布置，其中表面電極的厚度范圍從30μm到1.0mm。類似于接地電極12，表面電極14由例如銅、不銹鋼、鎢、銀和鈦的導電材料組成。
光催化劑構件15包含光催化劑、固態物質(不含光催化劑)和另一種催化劑(不含光催化劑)。每個光催化劑構件15在形狀上不必限制，其中優選的是使用粒狀粉末，其中將光催化劑、固態物質和另一種催化劑混合并使其成為粒狀，以及使用顆粒(pellet)，其中將光催化劑、固態物質和另一種催化劑混合并制粒。
任何類型的導致光催化劑反應的光催化劑都能夠用作光催化劑構件15。例如，可以使用二氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(ZnO)、硒化鎘(CdSe)、砷化鎵(GaAs)和鈦酸鍶(SrTiO3)。特別地，優選的是使用二氧化鈦(TiO2)，該二氧化鈦引起紫外線和可見光輻射的反應。
優選的是使用二氧化鈦(TiO2)的細粒，其平均粒徑范圍從5nm到300nm，其粒度范圍從3nm到500nm。
當平均粒徑小于5nm時，容積系數(或松密度)變得較小，在壓力成型中加劇了容積虧損，其中難以保持由細粒形成的指定形狀。當平均粒徑大于300nm時，細粒的表面積減小從而導致光活性降低。
為了提高分解特性，優選的是二氧化鈦(TiO2)的細粒可支持(support)選自銀、金、鈰、鈷、鉻、銅、鐵、鋰、鎳、錳、鉬、鈀、鉑、銠、釩、鎢和鋅中的一種或兩種或多種成分。
在上文中，可以獨立地提供光催化劑，或者該光催化劑由另一種催化劑支持。
優選的是固態物質由具有加固功能的材料組成，該材料選自吸附多孔物質、介電物質、粘土物質和合成樹脂中的一種或兩種或多種成分。
優選的是吸附多孔物質具有200m2/g或更大的比表面積，并包括選自HY沸石、HX沸石、H絲光沸石、石英氧化鋁和金屬硅酸鹽中的一種或兩種或多種成分。
或者，吸附性多孔物質具有從10m2/g到750m2/g的比表面積，并包括選自石英氧化鋁、沸石、硅膠、氧化鋯和氧化鈦中的一種或兩種或多種成分。
優選的介電物質由鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鍶(SrTiO3)等等組成。優選的是粘土物質由例如滑石的硅酸鎂或者例如蒙脫石的斯密達(smectite)組成。至于合成樹脂，優選的是使用聚四氟乙烯(PTFE)等等。
優選的是催化劑(包含光催化劑)包括選自銀、金、鈰、鈷、鉻、銅、鐵、鋰、鎳、錳、鉬、鈀、鉑、銠、釩、鎢和鋅中的一種或兩種或多種成分。
或者，由比表面積為10m2/g或更大的所述催化劑載體組成該催化劑，其中該催化劑由承載5％重量百分比的或者更少的選自銀、金、鈰、鈷、鉻、銅、鐵、鋰、鎳、錳、鉬、鈀、鉑、銠、釩、鎢和鋅中的一種成分或兩種或多種成分的氧化鋁或堇青石組成。
特別地，對于在光催化劑構件15中的光催化劑(L)、固態物質(S)和催化劑(C)之間形成的重量比沒有規定。這里，光催化劑(L)的重量比通常的范圍是從10w/w％到80w/w％，更優選地，從40w/w％到80w/w％。
這是因為當重量比小于10w/w％時，光催化劑的作用減小，而當重量比大于80w/w％時，成型制品的強度減小了。
按如下步驟制成所述光催化劑構件15(a)光催化劑的粒狀粉末首先，配平具有指定平均粒徑的光催化劑的細粒和固態物質的細粒，得到指定的組成成分，然后使用干或濕球磨機等使其混合在一起，由此制成混合粉末。
(b)光催化劑的顆粒將指定量的混合粉末填充到金屬模件中；然后對金屬模件施加指定的壓力，從而得到細粒的壓縮結構。
在大氣、真空狀態或惰性氣氛中得到該壓縮結構，其中施加的壓力范圍從500kg/cm2到6000kg/cm2，加壓的時間從0.01秒到60秒，例如。
通過上述過程，可以形成包括光催化劑和固態物質的顆粒(或模狀制品)。
這些顆粒在形狀和表面電極14上的布置沒有必須的限制。
接著，給出使用非平衡氣體對作業氣體g例如廢氣和包括諸如NOX、SOX和二惡英的有害化學物質的有害氣體的分解方法的描述。
首先，利用導線16將接地電極12和表面電極14與電源17連接，由此啟動電源18以在接地電極12和表面電極14之間提供電壓，使得在表面電極14上的非平衡等離子體區域R中產生非平衡等離子體P。
然后，將作業氣體g例如廢氣和包括諸如NOX、SOX和二惡英的有害化學物質的有害氣體引入非平衡等離子體P，在此，作業氣體g被非平衡等離子體P的能量直接分解，且被所述光催化劑構件15吸附。被所述光催化劑構件15吸附的作業氣體g通過光催化劑分解，其中光催化劑是利用非平衡等離子體P的能量以及由非平衡等離子體P的光發射產生的紫外線輻射和可見光輻射所激發的。這里由非平衡等離子體P產生的臭氧可提高光催化劑的分解效率。
根據本實施方案使用表面放電電極11進行作業氣體g的氣體處理，作業氣體g在表面放電電極11的表面和光催化劑構件15的表面的附近與非平衡等離子體P接觸，從而能夠增加作業氣體g和非平衡等離子體P之間的接觸面積，因此提高了接觸效率。也就是說，非平衡等離子體P和光催化劑構件15都對分解作業氣體g起作用，使得在高能電子以及包括在非平衡等離子體P中的自由基和包括在作業氣體g例如NOX、SOX和二惡英的有害化學物質之間的化學反應可以非常有效地進行。這樣，實現了對有害化學物質的有效分解。
如上所述，根據本實施方案的表面放電電極11的特征在于將包括光催化劑和固態物質的光催化劑構件15布置在表面電極14上的非平衡等離子體區域R中，使用非平衡等離子體P和包括在光催化劑構件15中由非平衡等離子體P激發的光催化劑對作業氣體g進行分解。因此，能夠提高對作業氣體g的分解效率，并且能夠增加作業氣體g的分解數量。
此外，表面放電電極11具有簡單的結構，且不需要昂貴的設備例如高壓脈沖發生器；因此，能夠減小作業氣體g的總體分解成本。
根據本實施方案，使用非平衡等離子體P對作業氣體g進行氣體處理；由非平衡等離子體P和光催化劑構件15中非平衡等離子體P激發的光催化劑分解引入非平衡等離子體P的作業氣體g；因此能夠有效地分解包括在作業氣體g中例如NOX、SOX和二惡英的有害化學物質。
2.第二實施方案圖2示意性地給出了根據本發明第二實施方案在氣體處理裝置中使用的表面放電電極的結構，其中用相同的附圖標記表示與在圖1中所示的第一表面放電電極21包括一個由導電材料組成的管狀(或圓筒形)接地電極22；由絕緣材料組成的管狀(或圓筒形)絕緣體23；該絕緣體以封閉狀態圍繞接地電極22；和每一個都是條狀的多個表面電極24，其以和接地電極22同軸的方式布置在絕緣體23的內圓周壁23a上；以及布置在表面電極24上的非平衡等離子體區域R中的光催化劑構件15(包括光催化劑和固態物質)。所有的表面電極24通過導線(未示出)與電源17連接。
接地電極22、絕緣體23和表面電極24在材料、組成、操作和特性方面大體上和在第一實施方案中使用的接地電極12、絕緣體13和表面電極14相同，但是它們在形狀方面彼此稍有不同。
因此，第二實施方案的表面放電電極21能夠具有與第一實施方案的表面放電電極11相同的效果。
以這樣一種方式設計的第二實施方案使得接地電極22以封閉狀態包含在絕緣體23中，但是可以將其修改成如圖3所示，將絕緣體23布置在接地電極22的內部。
3.第三實施方案圖4是一個截面圖，其表示根據本發明第三實施方案的氣體處理裝置的主要部件，其中用相同的附圖標記表示與在圖1中所示的第一實施方案相同的部件。
將氣體處理裝置31安裝在一個排氣管中，該排氣管布置在用于處理一般性廢料和工業廢棄物的焚燒爐中，其中以使多個表面放電電極34阻擋廢氣在排氣管35中流動的方式，在作業氣體g的排氣管35內部的非平衡等離子體區域R中布置這些表面放電電極34(圖4示出了三組按照指定的電極間距平行布置的表面放電電極34)。在相鄰布置的表面放電電極34之間的空間填充多個光催化劑構件15，每個光催化劑構件包括光催化劑和固態物質。表面放電電極34包括用作一個矩形薄平板電極的接地電極12、用作包含接地電極12的厚平板的絕緣體13和在絕緣體13的兩側上形成的多個表面電極32，其中在厚度方向形成有多個穿過表面放電電極34的通孔33。
表面電極32在材料和組成方面大體上和在第一實施方案中使用的表面電極14相同，但是它們在形狀方面彼此略有不同。
正如在第三實施方案中所示，表面放電電極34的數量和形狀沒有必須的限制，而是考慮作業氣體g的流量和流動速度的需要，適當地進行確定。隨著表面放電電極34的數量增加，能夠提高在作業氣體g和非平衡等離子體之間建立的接觸效率。因此，當裝置處理相對大量的作業氣體，以及必須減少處理時間時，優選的是增加表面放電電極34的數量。
在第三實施方案中，表面放電電極34布置成與排氣管35的延長方向垂直，以便阻擋廢氣在排氣管35中流動。當然，這種布置和表面放電電極34和排氣管35之間形成的角度不必限制于在第三實施方案中采用的那些布置。優選地，表面放電電極34用作一個平面平板電極，其直徑大體上與排氣管35的內徑匹配。
第三實施方案的特征在于將多個表面放電電極34布置在排氣管35的內部，包含在作業氣體g中沒有被‘前面的’表面放電電極34完全分解的有害化學物質能夠完全地由‘后面的’表面放電電極34分解，使得最終排到大氣的廢氣不包含有害化學物質。
在上文中，優選的是相鄰的表面放電電極34之間的距離等于或者小于非平衡等離子體區域R的寬度。如果該距離在非平衡等離子體區域R的寬度范圍內，能夠在作業氣體g穿過表面放電電極34‘前面的’通孔33流向‘后面的’表面放電電極34時，能夠有效地分解作業氣體g。
以下，參考圖5A至5D詳細描述表面放電電極的結構，圖5A至5D示出了用作在第三實施方案中使用的表面放電電極34的表面放電電極110，并且在此通過參考日本專利申請No.2002-95555(在日本公開的日本專利申請公開第No.2003-290623)并引入其內容。
圖5A是一個平面視圖，其表示表面放電電極110的主要部件的布置；圖5B是表面放電電極110的前視圖；圖5C是沿著圖5B中C-C線的截面圖；以及圖5D是與電源117連接的表面放電電極110的前視圖。
表面放電電極110用作一個矩形的平面平板電極，其包括一個接地電極111、一個包含接地電極111的絕緣體112，和一對彼此平行布置的表面電極113，他們將接地電極111和絕緣體112緊密地夾持在它們中間，在其中平行地形成多個通孔114，以便在垂直于表面電極113的方向穿過表面放電電極110。表面放電電極110的形狀和數量不必限制為如圖5A至5D所示出的，可以根據作業氣體的流量和流動速度，適當地進行確定。此外，通孔114不必彼此平行地形成，并在表面電極113的垂直方向延伸；因此它們能夠以傾斜于表面電極113的垂直方向的傾斜方式來形成。
接地電極111用作一個矩形的薄平板電極，并大體上與表面電極113平行地布置在絕緣體112的截面的中心，其中接地電極的厚度范圍從0.05mm到1mm。接地電極111由選自銅、不銹鋼、鎢、銀和鈦的指定材料組成。絕緣體112用作一個矩形的厚平板電極，其中絕緣體的厚度范圍從1mm到5mm。絕緣體112由氧化鋁、玻璃、鈦酸鋇和氧化鈦等的指定材料組成。
每個表面電極113用作一個矩形的薄平板電極，其中表面電極與絕緣體112的相對表面緊緊連接，并與接地電極111平行布置，其中表面電極的厚度范圍從0.05mm到1mm。表面電極113由選自銅、不銹鋼、鎢、銀和鈦等的指定材料組成。如圖5A所示。表面電極113具有網狀結構，其中在網狀物的各線之間形成的網眼115分別與通孔114匹配。也就是說，通孔114的開口沒有被表面電極113所覆蓋，而是分別由網眼115包圍。網眼115的尺寸可根據通孔114的尺寸(或直徑)適當確定。
通孔114的形狀不必限制為如圖5A所示的。優選的是通孔114具有圓形的開口，該開口可以減小在通孔中等離子體和氣體的接觸面積之間的差異。此外，優選的是通孔114的開口的直徑范圍從0.5mm到5mm。因為要求通孔114布置成大體上覆蓋表面放電電極110的全部面積，通孔114的數量不必限制為如圖5A所示的。此外，由于要求通孔114布置成大體上覆蓋表面放電電極110的全部面積，通孔114的布置不必限制為如圖5A至5C所示出的那樣將通孔均勻地或者規則地布置在表面放電電極110中。
在表面放電電極110的實際應用中，接地電極111和表面電極113通過導線116與電源117連接。當電源117在接地電極111和表面電極113之間施加一個電壓時，能夠產生非平衡等離子體。實際上，在表面電極113的附近和通孔114沿其伸長的方向產生非平衡等離子體。換句話說，相對于表面放電電極110在三維方向產生非平衡等離子體，因此能夠增加有助于形成非平衡等離子體的總面積。這里，在通孔114中沿著直徑方向和伸長方向均勻地產生非平衡等離子體。因此，當前述的表面放電電極110用于有關廢氣和有害氣體(例如作業氣體)的氣體處理時，能夠在表面放電電極110的表面上和通孔114中建立作業氣體和非平衡等離子體之間的良好接觸。由于該作業氣體和非平衡等離子體之間的總的接觸面積的增加，因此能夠提高在作業氣體和非平衡等離子體之間建立的接觸效率。為此，期望的化學反應可以有效地在包括在非平衡等離子體中的高能電子及自由基中，及包括在作業氣體中的例如NOX、SOX和二惡英等的有害化學物質中進行；因此，能夠有效地分解有害化學物質。
現在，回到如圖4所示的第三實施方案，光催化劑構件15不必限制為前述的形狀。優選地，光催化劑構件15的形狀和尺寸可以確定為允許在排氣管35內進行隨機布置，從而導致排氣管35內部形成湍流氣流。例如，光催化劑構件15為圓片狀、圓柱形、球形等等。
4.特性評估結果以下，描述有關在第一至第三實施方案中使用的光催化劑的特性評估結果。
圖6是一個截面圖，其表示用于檢驗和評估光催化劑特性的檢驗設備的主要部件，其中附圖標記41表示由石英玻璃制成的排氣管；附圖標記42表示螺旋形不銹鋼制成的內部電極，該內部電極布置在排氣管41的內壁；以及附圖標記43表示由圓筒形銅板制成的外部電極，該外部電極以和內部電極42同軸的方式布置在排氣管41的外部圓周，其中內部電極42和外部電極43通過導線44與電源45連接。
在圖6的檢驗設備中，使用由內部電極42占居的區域作為非平衡等離子體區域R，其中隨機地布置多個顆粒形的光催化劑構件46。
通過用導線44將內部電極42和外部電極43與電源45連接裝配檢驗設備，其中當打開電源45時，在內部電極42和外部電極43之間施加一個電壓，在內部電極42的內圓周壁的附近的非平衡等離子體區域R中產生非平衡等離子體。在這種狀態下，當將作業氣體引入非平衡等離子體區域R時，包括在光催化劑構件46中的光催化劑分解作業氣體，光催化劑是由于非平衡等離子體的能量和由非平衡等離子體的光發射產生的紫外線輻射和可見光輻射而激發的，因此能夠從排氣管41的出口端排出已去除有害化學物質的氣體。
以下參考圖7至11詳細描述由前述檢驗設備對光催化劑特性的評估結果。
這里，使用表面放電作為放電方法，電源產生24kHz的交流電壓和3w的初級線圈功率。檢驗氣體包括添加到空氣(包括20v/v％的O2和80v/v％的N2)中的200ppm的苯(C6H6)，其中為此流動速度設置為200mL/min。由包括66％重量比的二氧化鈦和34％重量比的聚四氟乙烯(PTFE)的顆粒作為光催化劑構件46。
圖7-11是表示由圖6的檢驗設備產生的光催化劑的特性評估結果的曲線圖，其中圖7示出了苯(C6H6)的濃度(ppm)；圖8示出了一氧化碳(CO)的濃度(ppm)；圖9示出了二氧化碳(CO2)的濃度(ppm)；圖10示出了一氧化二氮(N2O)的濃度(ppm)；圖11示出了臭氧(O3)的濃度(ppm)。在這些曲線圖中，參考標記“A”表示有關顆粒吸附的吸附特性曲線；參考標記“B”表示當在顆粒吸附之后將等離子體引入時產生的特性曲線；參考標記“C”表示當將檢驗氣體引入等離子體沒有顆粒的吸附時產生的特性曲線；參考標記“D”表示當將檢驗氣體引入等離子體沒有使用顆粒時產生的特性曲線。
顯然前述的特性評估結果顯示出以下結論。
(1)由于只有吸附，苯(C6H6)的濃度隨時間而減小。
也就是說，當在吸附之后將等離子體引入檢驗設備時，由于苯的解吸附作用在初始階段出現一個頂點，最后苯的濃度從200ppm減小到15ppm。
當將等離子體引入檢驗設備而沒有顆粒的吸附時，苯的消除率是92％。
在只使用等離子體進行檢驗的情況下，苯的消除率是76％。
通過使用顆粒，苯的消除率提高了17％。
(2)關于在檢驗中180分鐘之后一氧化碳(CO)的濃度，特性曲線B顯示為260ppm，特性曲線C顯示為230ppm，特性曲線D顯示為370ppm。
(3)關于在檢驗中180分鐘之后二氧化碳(CO2)的濃度，特性曲線B顯示為530ppm，特性曲線C顯示為450ppm，特性曲線D顯示為405ppm，關于在上述情況(2)和(3)中的碳質量平衡，特性曲線B顯示為71％，特性曲線C顯示為60％，特性曲線D顯示為85％，這里，也可以提高二氧化碳(CO2)的選擇性。
(4)關于一氧化二氮(N2O)的濃度，特性曲線B-D每一個最終都顯示為140ppm，其中可以在反應的初始階段觀察到其間的微小差異。順便提及，測定中沒有檢測出氮氧化合物(NOx)。
(5)關于臭氧(O3)的濃度，特性曲線B-D每一個最終都顯示為680ppm，其中可以在反應的初始階段觀察到其間的微小差異，如前所述，本發明的特征在于通過非平衡等離子體和由非平衡等離子體激發的光催化劑使作業氣體進行分解，因此能夠有效地分解和消除例如NOX、SOX和二惡英的有害化學物質。由于本發明實現了對從一般性廢料和工業廢棄物的焚燒爐中排出的廢氣、從汽車排出的廢氣和其它包括有害化學物質的有害氣體的有效分解，并使其無害，因此本發明在各個工業領域中具有顯著的效果。
因為在不脫離本發明的范圍或者主要特性的條件下，可以用幾種形式實施本發明，因此本發明的實施方案是說明性的，不是限制性的，由于本發明的范圍是由后附的權利要求書而不是在前面的說明書來限定，因此落入權利要求書的界限和范圍內的所有變化，或者這些界限和范圍內的等同物都應包含在權利要求書中。
權利要求
1.一種氣體處理方法，在該方法中一處理氣體被引入到一包括多個光催化劑構件的非平衡等離子體中，所述多個光催化劑構件的每一個均包括光催化劑、固態物質和催化劑，所述處理氣體通過所述非平衡等離子體被分解。
2.根據權利要求1的氣體處理方法，其中每一個所述光催化劑構件均以一指定的形狀形成。
3.根據權利要求1的氣體處理方法，其中所述光催化劑獨立地包含在所述光催化劑構件中，或者所述光催化劑被所述催化劑支持。
4.根據權利要求1至3中任何一個的氣體處理方法，其中所述催化劑包括從Ag、Au、Ce、Co、Cr、Cu、Fe、Li、Ni、Mn、Mo、Pd、Pt、Rh、V、W和Zn中選取的一種元素或者兩種或更多元素。
5.根據權利要求1至3中任何一個的氣體處理方法，其中所述催化劑包括重量百分比為5或更少的從Ag、Au、Ce、Co、Cr、Cu、Fe、Li、Ni、Mn、Mo、Pd、Pt、Rh、V、W和Zn中選取的一種元素或者兩種或更多元素，其被一比表面積為10m2/g或更大的指定催化劑載體所支持。
6.根據權利要求1至3中任何一個的氣體處理方法，其中所述光催化劑由在紫外線輻射或可見光輻射下進行反應的氧化鈦組成。
7.根據權利要求1至3中任何一個的氣體處理方法，其中所述固態構件由從吸附多孔物質、電介質物質、粘土物質和合成樹脂中選取的一種成分或者兩種或更多成分制成。
8.根據權利要求1至3中任何一個的氣體處理方法，其中所述吸附多孔物質的比表面積為200m2/g或更大并且由從HY沸石、HX沸石、H絲光沸石、氧化硅鋁和金屬硅酸鹽中選取的一種成分或者兩種或更多成分制成。
9.根據權利要求1至3中任何一個的氣體處理方法，其中所述吸附多孔物質的比表面積為10m2/g至750m2/g并且由從氧化硅鋁、沸石、硅膠、氧化鋯和二氧化鈦中選取的一種成分或者兩種或更多成分制成。
10.根據權利要求1至3中任何一個的氣體處理方法，其中所述非平衡等離子體由脈沖流光放電、無聲放電和表面放電中的任何一種產生。
11.用于氣體處理的表面放電電極，包括一接地電極；一絕緣體；經由所述絕緣體相對于所述接地電極布置的多個表面電極；以及每一個均包括光催化劑、固態物質和催化劑的多個光催化劑構件，所述多個光催化劑構件布置在一非平衡等離子體區域中。
12.根據權利要求11的表面放電電極，其中所述接地電極具有其內部圓周壁被所述絕緣體覆蓋的一圓筒體形狀，并且其中所述表面電極由以與所述接地電極同軸的方式在所述絕緣體的一內部圓周壁上布置的螺旋形線圈所構成。
13.根據權利要求11的表面放電電極，其中所述接地電極被所述絕緣體所包圍，使得一對所述表面電極彼此相對地布置，從而緊密地保持在其間的所述絕緣體。
14.根據權利要求13的表面放電電極，其中形成多個在厚度方向上穿透的通孔以允許處理氣體從中穿過。
15.包括至少一個表面放電電極的一種氣體處理設備，所述表面放電電極包括一接地電極，一絕緣體，經由所述絕緣體相對于所述接地電極布置的多個表面電極，以及每一個均包括光催化劑、固態物質和催化劑的多個光催化劑構件，所述多個光催化劑構件布置在一非平衡等離子體區域中。
16.一種氣體處理設備，包括多個表面放電電極，每一個所述多個表面放電電極中均包括一接地電極，一包圍所述接地電極的絕緣體以及彼此相對地布置從而緊密地保持在其間的所述絕緣體的一對表面電極，其中所述多個表面放電電極以其間為一指定間隔彼此平行地布置；形成為在厚度方向上穿透所述每個表面放電電極的多個通孔；以及每一個均包括光催化劑、固態物質和催化劑的多個光催化劑構件，并且所述多個光催化劑構件布置在形成于彼此相鄰布置的所述表面放電電極之間的所述間隔中。
全文摘要
本發明提供一種氣體處理方法，其中在由表面放電電極產生的非平衡等離子體區域中布置包括光催化劑、固態物質和催化劑的多個光催化劑構件，將例如廢氣的作業氣體和包括有害化學物質的有害氣體引入該區域，然后進行分解。該表面放電電極包括一接地電極、一包圍接地電極的絕緣體和多個經由絕緣體相對接地電極布置的表面電極，通過其起電作用產生非平衡等離子體。通過布置多個表面放電電極，每個電極在厚度方向具有多個從中穿過的通孔，在電極之間布置多個光催化劑構件來構成氣體處理裝置。
文檔編號F01N3/20GK1654111SQ20041010234
公開日2005年8月17日 申請日期2004年10月22日 優先權日2003年10月24日
發明者室井國昌, 尾形敦 申請人:雅馬哈株式會社, 獨立行政法人產業技術總合研究所