利用等離子體放電制備過氧化氫的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于化學(xué)品制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及利用等離子體放電制備過氧化氫的裝置和方法。本發(fā)明裝置由脈沖功率電源、蓄水池、可拆卸式外壁結(jié)構(gòu)、超聲波霧化器、陣列式放電電極、出氣導(dǎo)流風(fēng)扇和水霧凝結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。本發(fā)明利用超聲波霧化器產(chǎn)生水霧；利用入氣孔、出氣導(dǎo)流風(fēng)扇和裝置整體封閉的結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)從下向上的氣流，在通入氧氣的同時(shí)，攜帶霧狀水滴向上通過放電區(qū)域；在等離子體的作用下，發(fā)生雙介質(zhì)阻擋放電，產(chǎn)生過氧化氫。本發(fā)明以水為原料，制備過程簡單、安全，并且在制備過氧化氫的生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生任何污染物，真正做到了綠色氧化劑在大宗化學(xué)品生產(chǎn)技術(shù)清潔化。本發(fā)明也適用于過氧化氫在日常、工業(yè)和醫(yī)用領(lǐng)域的靈活制備。
【專利說明】
利用等離子體放電制備過氧化氫的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于化學(xué)品制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及利用等離子體放電制備過氧化氫的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]過氧化氫俗稱雙氧水，是一種無色透明的液體，對有機(jī)物有很強(qiáng)的氧化作用，一般作為氧化劑使用。由于發(fā)生氧化還原反應(yīng)后不產(chǎn)生任何污染產(chǎn)物，過氧化氫又被譽(yù)為綠色氧化劑和最清潔的化工產(chǎn)品。過氧化氫主要應(yīng)用于化學(xué)合成、環(huán)境、醫(yī)療和半導(dǎo)體材料等領(lǐng)域，可起到殺菌消毒和去除表面雜質(zhì)的作用。此外，高濃度的過氧化氫也可以用作火箭動(dòng)力燃料。
[0003]目前，工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)過氧化氫的主流方法是2-乙基蒽醌法(EAQ)。蒽醌法雖然技術(shù)成熟，但是制備過程復(fù)雜，涉及加氫、氧化、萃取、濃縮凈化和工作液及2-乙基蒽醌的循環(huán)利用等過程，存在設(shè)備投資大、生產(chǎn)成本過高等問題。此外，在蒽醌法制備過氧化氫的過程中會(huì)產(chǎn)生大量化學(xué)污染，有違綠色氧化劑在大宗化學(xué)品生產(chǎn)技術(shù)清潔化方面的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種成本低，綠色、安全地制備過氧化氫的裝置和方法。
[0005]本發(fā)明以水為原料，利用等離子體放電技術(shù)，并結(jié)合超聲波霧化技術(shù)，制備得到過氧化氫。本發(fā)明可應(yīng)用于日常、工業(yè)和醫(yī)用過氧化氫的靈活制備，具有“隨開隨用”的特點(diǎn)。將制備的過氧化氫與水進(jìn)行任意比例混合，可得到任意濃度的雙氧水，滿足殺菌消毒的需求。本發(fā)明能夠簡化雙氧水的配置過程，避免在雙氧水儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中遇到的問題，降低額外成本。
[0006]本發(fā)明提出的利用等離子體放電制備過氧化氫的裝置，采用等離子體雙介質(zhì)阻擋放電技術(shù)。該裝置由脈沖功率電源、蓄水池、外壁、超聲波霧化器、陣列式放電電極、出氣導(dǎo)流風(fēng)扇和水霧凝結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中:
所述外壁圍成一長方體空間，構(gòu)成裝置的反應(yīng)腔;外壁的中部連接處為可拆卸式結(jié)構(gòu)，該可拆卸式部分把反應(yīng)腔分為下層的蓄水池和上層的放電區(qū)域兩部分；
所述脈沖功率電源用于對裝置提供放電條件；
所述陣列式放電電極由金屬細(xì)棒制成，其外層以尺寸合適的石英玻璃管緊密包裹;陣列式放電電極位于裝置的反應(yīng)腔內(nèi)部，形成放電區(qū)域；
陣列式放電電極分為高壓電極和地電極兩部分，高壓電極連接脈沖功率電源，地電極接地，兩種電極均勻交錯(cuò)排列，分別從反應(yīng)腔相對的兩個(gè)外壁交錯(cuò)接入；
陣列式放電電極的具體數(shù)量可根據(jù)產(chǎn)量需求和脈沖功率電源的電參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；
所述外壁的中部連接處為可拆卸式結(jié)構(gòu)，該可拆卸式部分把反應(yīng)腔分為下層的蓄水池和上層的放電區(qū)域兩部分。上下兩部分連接處為階梯狀結(jié)構(gòu)，使上層放電區(qū)域能夠穩(wěn)固地套在下層蓄水池上，并且可拆卸； 所述蓄水池底部中間挖有凹槽，所述超聲波霧化器固定在該凹槽中；
蓄水池相對的兩個(gè)外壁頂部附近各設(shè)置有一個(gè)入氣孔;用于向反應(yīng)腔內(nèi)通入氧氣；在陣列式放電電極上方相對的兩個(gè)外壁上各設(shè)置一個(gè)所述的出氣導(dǎo)流風(fēng)扇，出氣導(dǎo)流風(fēng)扇外套一個(gè)水霧凝結(jié)結(jié)構(gòu)，用于收集裝置制備出的過氧化氫水溶液；
所述水霧凝結(jié)結(jié)構(gòu)的底面采用兩邊高中間低的斜坡結(jié)構(gòu)。
[0007]本發(fā)明提出的基于所述裝置的利用等離子體放電制備過氧化氫的方法，其具體步驟為:
(1)將超聲波霧化器放入蓄水池底部的凹槽中固定，并在蓄水池中倒入適量清水；
(2)利用可拆卸式外壁結(jié)構(gòu)，將上層放電區(qū)域套在蓄水池上；
(3 )將陣列式放電電極的高壓電極接到脈沖功率電源上，地電極接地；
(4)打開出氣導(dǎo)流風(fēng)扇，并從入氣孔通入氧氣，在反應(yīng)腔內(nèi)形成一個(gè)富氧環(huán)境；
(5)打開脈沖功率電源和超聲波霧化器，開始反應(yīng)，其中脈沖功率電源的具體電參數(shù)和超聲波霧化器產(chǎn)生水霧的速度可根據(jù)過氧化氫的實(shí)際生產(chǎn)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)；
(6)利用入氣孔、出氣導(dǎo)流風(fēng)扇和裝置整體封閉的結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)從下向上的氣流，在通入氧氣的同時(shí)，攜帶微米量級的霧狀水滴向上通過放電區(qū)域；
(7)在等離子體的放電作用下，水分子中的氫氧鍵斷裂，分解為羥基自由基和活性氫原子;在富氧環(huán)境下，被等離子體激發(fā)的活性氧原子搶先和還原性更高的活性氫原子結(jié)合，生成水、羥基自由基或超氧化氫，而水分子中剩余的羥基自由基則兩兩組合生成過氧化氫;在正常環(huán)境下，羥基自由基和超氧化氫化學(xué)性質(zhì)相當(dāng)不穩(wěn)定，會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)，自發(fā)分解為水、氧氣和過氧化氫；
(8)利用水霧凝結(jié)結(jié)構(gòu)，將被出氣導(dǎo)流風(fēng)扇從裝置中吹出的過氧化氫霧滴迅速聚合，方便收集過氧化氫溶液。
[0008]本發(fā)明中使用超聲波霧化器對水進(jìn)行了霧化處理。接通電源后，超聲波霧化器以水的固有頻率進(jìn)行振動(dòng)，引起水分子共振，從而將其拋出水面，形成可懸浮于空氣的霧狀小水滴，極大地提升了水分子與氧氣的接觸面積，加快過氧化氫制備速率的同時(shí)，有效提升了裝置對電能的利用效率。與加熱霧化法相比，超聲波霧化法利用物理共振的原理對水進(jìn)行霧化，避免了將水加熱沸騰的過程，能夠節(jié)省90%的能源。這種霧化方式既能避免氯離子等水中雜質(zhì)在加熱過程中逸出水面，對過氧化氫的生成過程起到抑制作用，又能避免了過氧化氫在高溫條件下易分解的問題，能夠有效提高過氧化氫的產(chǎn)率。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)勢在于以水為原料，通過等離子體的雙介質(zhì)阻擋放電來制備過氧化氫。相比于目前工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)過氧化氫的主流方法2-乙基蒽醌法(EAQ)，本發(fā)明具有制備過程簡單、安全的特點(diǎn)，能夠靈活制備過氧化氫的特點(diǎn)，真正做到隨開隨用，避免雙氧水在儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程中遇到的問題。本發(fā)明在制備過氧化氫的生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生任何污染物，真正做到了綠色氧化劑在大宗化學(xué)品生產(chǎn)技術(shù)清潔化。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖的徑向側(cè)視圖。
[0011]圖2為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖的橫向側(cè)視圖。
[0012]圖3為本發(fā)明陣列式放電電極頂層的俯視圖。
[0013]圖4為本發(fā)明可拆卸式外壁結(jié)構(gòu)的三維斜視圖。
[0014]圖中標(biāo)號:I為蓄水池底部凹槽，2為超聲波霧化器，3為可拆卸式外壁結(jié)構(gòu)，4為陣列式放電電極的地電極部分，5為水霧凝結(jié)結(jié)構(gòu)，6為蓄水池，7為陣列式放電電極的高壓電極部分，8為導(dǎo)流水管，9為出氣導(dǎo)流風(fēng)扇，10為入氣孔，11為陣列式放電電極外層包裹的石英玻璃管。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0016]實(shí)施例:
本實(shí)施例中，裝置外殼由有機(jī)玻璃制成，由可拆卸式外壁結(jié)構(gòu)分為下層蓄水池和上層放電區(qū)域兩部分。其具體加工參數(shù)為:
1)上下兩部分反應(yīng)腔的橫截面積都為100mmX 100mm；
2)蓄水池前后兩個(gè)相對外壁的頂端各有一個(gè)入氣圓孔；
3)蓄水池側(cè)壁頂端均做成內(nèi)側(cè)長外側(cè)短的階梯狀結(jié)構(gòu)，與上層放電區(qū)域?qū)?yīng)，使上層放電區(qū)域能夠穩(wěn)固地套在下層蓄水池上；
4)蓄水池底部中央挖出圓柱形凹槽，固定超聲波霧化器的位置；
5)陣列式放電電極每層6根高壓電極、7根地電極，共8層;高壓電極和地電極均勻交錯(cuò)排列，分別從左右兩壁插入并固定;放電電極由細(xì)銅棒制成，外層以石英玻璃管緊密包裹，構(gòu)成雙介質(zhì)阻擋放電；
7)高壓電極和地電極末端分別以預(yù)先打孔的銅片和螺母加以固定，形成分別并聯(lián)的結(jié)構(gòu);將高壓電極連接到脈沖功率電源;地電極接地；
8)在放電區(qū)域上方前后兩個(gè)相對的外壁上，各安裝一個(gè)出氣導(dǎo)流風(fēng)扇；
9)水霧凝結(jié)結(jié)構(gòu)整體封閉，擋板正對風(fēng)扇，底部為兩邊高中間低的斜坡結(jié)構(gòu)，液體只能從導(dǎo)流水管流出，方便收集。
[0017]本實(shí)例裝置的具體操作步驟如下:
1)將超聲波霧化器放入蓄水池底部的凹槽中固定，并在蓄水池中倒入適量清水；
2)將上層放電區(qū)域套在蓄水池上，并正確連結(jié)電路；
3)打開出氣導(dǎo)流風(fēng)扇，并從入氣孔通入氧氣，形成一個(gè)從下向上的定向氣流；
4)等候5分鐘，在反應(yīng)腔內(nèi)形成一個(gè)富氧環(huán)境；
5)打開脈沖功率電源，將電壓調(diào)至適當(dāng)電壓(15kV?35kV)，形成穩(wěn)定、均勻的雙介質(zhì)阻擋放電；
6)打開超聲波霧化器，生產(chǎn)微米量級的水霧;彌散在蓄水池頂部的水霧被入氣孔中通入的氧氣流攜帶，向上通過陣列式放電電極構(gòu)成的放電區(qū)域；
7)在等離子體的放電作用下，水分子中的氫氧鍵斷裂，分解為羥基自由基和活性氫原子;在富氧環(huán)境下，被等離子體激發(fā)的活性氧原子搶先和還原性更高的活性氫原子結(jié)合，生成水、羥基自由基或超氧化氫，而水分子中剩余的羥基自由基則兩兩組合生成過氧化氫;在正常環(huán)境下，羥基自由基和超氧化氫化學(xué)性質(zhì)相當(dāng)不穩(wěn)定，會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)，又自發(fā)分解為水、氧氣和過氧化氫；
8)經(jīng)過反應(yīng)生成的過氧化氫水霧繼續(xù)被從下向上的氣流攜帶，離開反應(yīng)區(qū)域； 9)被出氣導(dǎo)流風(fēng)扇抽出反應(yīng)腔的過氧化氫水霧，在水霧凝結(jié)結(jié)構(gòu)的擋板上凝結(jié)成大液滴的過氧化氫水溶液，順著底面斜坡流入導(dǎo)流水管，流出裝置。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用等離子體放電制備過氧化氫的裝置，其特征在于由脈沖功率電源、蓄水池、外壁、超聲波霧化器、陣列式放電電極、出氣導(dǎo)流風(fēng)扇和水霧凝結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)成;其中: 所述外壁圍成一長方體空間，構(gòu)成裝置的反應(yīng)腔;外壁的中部連接處為可拆卸式結(jié)構(gòu)，該可拆卸式部分把反應(yīng)腔分為下層的蓄水池和上層的放電區(qū)域兩部分； 所述脈沖功率電源用于對裝置提供放電條件； 所述陣列式放電電極由金屬細(xì)棒制成，其外層以石英玻璃管緊密包裹；陣列式放電電極位于裝置的反應(yīng)腔內(nèi)部，形成放電區(qū)域； 陣列式放電電極分為高壓電極和地電極兩部分，高壓電極連接脈沖功率電源，地電極接地，兩種電極均勻交錯(cuò)排列，分別從反應(yīng)腔相對的兩個(gè)外壁交錯(cuò)接入； 所述蓄水池底部中間挖有凹槽，所述超聲波霧化器固定在該凹槽中； 蓄水池相對的兩個(gè)外壁頂部附近各設(shè)置有一個(gè)入氣孔;用于向反應(yīng)腔內(nèi)通入氧氣； 在陣列式放電電極上方相對的兩個(gè)外壁上各設(shè)置一個(gè)所述的出氣導(dǎo)流風(fēng)扇，出氣導(dǎo)流風(fēng)扇外套一個(gè)水霧凝結(jié)結(jié)構(gòu)，用于收集裝置制備出的過氧化氫水溶液。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用等離子體放電制備過氧化氫的裝置，其特征在于所述陣列式放電電極的具體數(shù)量根據(jù)產(chǎn)量需求和脈沖功率電源的電參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用等離子體放電制備過氧化氫的裝置，其特征在于所述水霧凝結(jié)結(jié)構(gòu)的底面采用兩邊高中間低的斜坡結(jié)構(gòu)。4.一種基于權(quán)利要求1所述裝置的利用等離子體放電制備過氧化氫的方法，其特征在于:具體步驟為: (1)在蓄水池中倒入適量清水； (2)利用可拆卸式外壁結(jié)構(gòu)，將上層放電區(qū)域套在蓄水池上； (3 )將陣列式放電電極的高壓電極接到脈沖功率電源上，地電極接地； (4)打開出氣導(dǎo)流風(fēng)扇，并從入氣孔通入氧氣，在反應(yīng)腔內(nèi)形成一個(gè)富氧環(huán)境； (5)打開脈沖功率電源和超聲波霧化器，開始反應(yīng)，其中脈沖功率電源的具體電參數(shù)和超聲波霧化器產(chǎn)生水霧的速度可根據(jù)過氧化氫的實(shí)際生產(chǎn)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)； (6)利用入氣孔、出氣導(dǎo)流風(fēng)扇和裝置整體封閉的結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)從下向上的氣流，在通入氧氣的同時(shí)，攜帶微米量級的霧狀水滴向上通過放電區(qū)域； (7)在等離子體的放電作用下，水分子中的氫氧鍵斷裂，分解為羥基自由基和活性氫原子;在富氧環(huán)境下，被等離子體激發(fā)的活性氧原子搶先和還原性更高的活性氫原子結(jié)合，生成水、羥基自由基或超氧化氫，而水分子中剩余的羥基自由基則兩兩組合生成過氧化氫； (8)利用水霧凝結(jié)結(jié)構(gòu)，將被出氣導(dǎo)流風(fēng)扇從裝置中吹出的過氧化氫霧滴迅速聚合，收集過氧化氫溶液。
【文檔編號】C01B15/027GK105858617SQ201610213776
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】劉克富, 徐迪, 邱劍, 郝春靜
【申請人】復(fù)旦大學(xué)