一種臭氧制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種臭氧制備方法，往反應器中加入催化劑，然后將含有氧氣的原料氣充入反應器中，并通入冷卻介質，然后啟動激勵電源通過介質阻擋放電使原料氣活化并形成均勻分布的非平衡等離子體，等離子體中的活性粒子在放電區(qū)域放置的催化劑上發(fā)生反應產(chǎn)生臭氧。該方法對原料氣的來源和組成沒有特別要求，氧氣及含氧氣的混合氣均適用于該方法。該方法巧妙的將冷卻裝置設置在反應器內(nèi)部，以空氣等氣體作為冷卻介質，成本低、效率高該方法可以在溫和條件下，將多種含氧氣的原料氣轉化為臭氧，其工藝過程簡單靈活，能耗低，具有十分廣闊的應用前景。
【專利說明】
一種臭氧制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及化學物質制備技術領域，具體涉及一種臭氧制備方法。
【背景技術】
[0002]臭氧是氧氣的同素異形體，是一種具有特殊氣味的淡藍色氣體。臭氧是一種強氧化劑，它在水中的氧化還原電位為2.07V，僅次于氟(2.5V)，其氧化能力高于氯(1.36V)和二氧化氯(1.5V)。由于臭氧不會留下二次污染，剩余的臭氧可在短時間內(nèi)分解為氧氣，因此廣泛應用于殺菌消毒、污水處理、空氣除塵、漂白脫色、食品工業(yè)、微電子工業(yè)等領域，應用前景十分廣闊。
[0003]目前合成臭氧的方法有很多，主要有介質阻擋放電法、紫外線輻射法、電解法等。紫外線輻射法是利用氧吸收紫外光產(chǎn)生臭氧的一種方法，該方法消耗電力多，制備的臭氧濃度低，但適宜產(chǎn)生少量臭氧，對溫度不敏感。電解法是利用直流電源電解含氧電解質產(chǎn)生臭氧的一種方法，具有臭氧濃度高、成本低等優(yōu)點，但效率低、且燃料電池及水電解裝置有待改進和研究。
[0004]介質阻擋放電法是以干燥的含氧氣體通過介質阻擋放電區(qū)產(chǎn)生臭氧的一種方法。它以低成本、高效率、高濃度的優(yōu)勢被廣泛應用于臭氧的工業(yè)制備。
[0005]介質阻擋放電是產(chǎn)生冷等離子體最簡單的方法。介質阻擋放電是一種非平衡放電(又稱無聲放電)，其特征是在位于電極之間的放電空間內(nèi)插入絕緣介質，可以在較廣的氣壓范圍和較寬的頻域內(nèi)工作。氣體放電以后，在放電空間會產(chǎn)生一定密度的電子和不同頻率的光輻射，當?shù)蜏氐入x子體與催化劑協(xié)同作用時，尤其與光觸媒催化劑鐵電催化劑協(xié)同作用時，會極大的提高能量利用效率，降低氣體擊穿電壓，同時也會進一步促進反應物的轉化。
[0006]上述合成臭氧的技術存在以下問題:
第一，介質阻擋法制備臭氧的過程中，會產(chǎn)生大量的輝光，傳統(tǒng)的制備工藝中，放電輝光沒有很好的利用起來，90%的光輻射均被浪費；氧的電離能為13.618eV，輝光的能量在1.61eV?3.1OeV范圍內(nèi)，該能量段不足以電離處于基態(tài)的氧原子，因此在放電過程中，只能作為輔助能量，使處于一定激發(fā)態(tài)的氧原子進一步激發(fā)，而80%的光子最終以熱的形式消失，輝光以熱形式消散的過程中會對電介質和電極造成一定程度的損傷，同時增加了電源的無功功率;從而，傳統(tǒng)的介質阻擋法制備臭氧工藝中，放電輝光沒有很好的利用起來，90%的光輻射均被浪費；
第二，臭氧很容易分解為氧氣，其分解速率隨著環(huán)境溫度的上升而升高，分解速度加快，溫度超過100°C時，分解非常劇烈，達到270°C高溫時，可立即轉化為氧氣;傳統(tǒng)的DBD臭氧反應器，在制備臭氧過程中，放電區(qū)溫度通常會達到150°C以上，因此，多采用外置式水冷卻裝置冷卻反應器，以抑制臭氧的分解，冷卻裝置的增加不僅增加了生產(chǎn)成本，也降低了反應器的靈活性，從而存在局限性；
第三，介質阻擋法制備臭氧工藝中，原料一般為純氧，大部分商品氧都是由空氣分離制造的，即將空氣液化后經(jīng)精餾提純，也可采用低溫全精餾法，少量氧采用電解氧為原料，經(jīng)催化脫氫可制取純度為99.99%以上的高純氧。其他純化方法還有變壓吸附法和膜分離法。因此，以純氧為原料制備臭氧的工藝成本仍然較高，且有些臭氧應用領域不要求臭氧純度，只要求臭氧濃度。
[0007]綜上所述，目前介質阻擋法制備臭氧的工藝，存在反應溫度高、能耗大、靈活度差、產(chǎn)生效率低、運行成本高等缺點，這些因素極大制約了臭氧的推廣應用。因此，研究一種反應條件溫和、低成本、高靈活度的臭氧制備工藝是未來發(fā)展的必然趨勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的缺點，提供一種可以在溫和條件下將多種含氧氣的原料氣轉化為臭氧，且制備工藝過程簡單靈活、能耗低、成本低的臭氧制備方法。
[0009]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案:一種臭氧制備方法，其特征在于:往反應器中加入催化劑，然后將含有氧氣的原料氣充入反應器中，并通入冷卻介質，然后啟動激勵電源通過介質阻擋放電使原料氣活化并形成均勻分布的非平衡等離子體，等離子體中的活性粒子在放電區(qū)域放置的催化劑上發(fā)生反應產(chǎn)生臭氧。
[0010]優(yōu)選地，所述原料氣包括純氧、氧氣與惰性氣體的混合氣或者空氣;惰性氣體為氮氣、氬氣或氦氣等;惰性氣體與氧氣根據(jù)所需臭氧的濃度以任意比例進行混合。
[0011]優(yōu)選地，催化劑為光觸媒催化劑、鐵電催化劑或負載型催化劑;其中，光觸媒催化劑包括:Ti02 二氧化鈦、ZnO氧化鋅、CdS硫化鎘、W03三氧化鎢、Fe203氧化鐵、PbS硫化鉛、Sn02氧化錫、ZnS硫化鋅、SrTi03鈦酸鍶、Si02 二氧化硅，優(yōu)選Ti02;鐵電催化劑包括:BaTi03鈦酸鋇、CaTi03鈣鈦礦、SrTi03鈦酸鍶、PbTi03鈦酸鉛、ZnTi03鈦酸鋅、BaZr03鋯酸鋇、PbZr03鋯酸鉛及由以上兩種或幾種鐵電材料形成的固溶體，優(yōu)選固溶體，優(yōu)選PZT鋯鈦酸鉛;負載型催化劑的載體包括:Si02、A1203氧化鋁、Ti02、硅鋁酸鹽、BaTi03或者活性炭。
[0012]優(yōu)選地，所述催化劑采用一類催化劑中的一種單獨填充、或者一類催化劑中的多種混合填充、或者不同類催化劑間混合填充。
[0013]優(yōu)選地，用于介質阻擋放電的反應器的模式采用線-筒式、板-板式或線-網(wǎng)式，優(yōu)選線-筒式反應器。
[0014]優(yōu)選地，所述反應器的內(nèi)電極采用表面具有特征形貌的低電阻金屬管，金屬管表面的特征形貌為連續(xù)螺紋或者均勻分布的針林，優(yōu)選連續(xù)螺紋形貌。
[0015]優(yōu)選地，所述反應器的外電極為沉積在電介質表面的金屬薄層，金屬薄層采用鋁、銅或鐵制成，優(yōu)選銅。
[0016]優(yōu)選地，用于介質阻擋放電的反應器的激勵電源采用交流電源、直流脈沖電源、直流脈沖/交流雙源電源。
[0017]優(yōu)選地，用于介質阻擋放電的反應器的冷卻裝置設置在反應器內(nèi)部，利用內(nèi)電極金屬管作為冷卻介質的導管，冷卻介質為常溫的空氣或氮氣，優(yōu)選空氣;原料氣和冷卻介質都以均勻的速度通入到內(nèi)電極金屬管內(nèi)。
[0018]本發(fā)明通過采用上述工藝方法，與傳統(tǒng)臭氧制備工藝相比具有以下優(yōu)點，第一，該方法可以制造低溫、非熱平衡的等離子體，進而可以創(chuàng)造溫和的反應條件，使目標物質在穩(wěn)定、高活性的環(huán)境中生成，從而可延長設備和催化劑的使用壽命;第二，該方法對原料氣體的來源和組成沒有特殊要求和限制，氧氣及含氧氣的混合氣均適用于該方法，因此，該方法原料來源廣，靈活性高，成本更低;第三，該方法所使用的催化劑，其制備工藝成熟，成本低，使用壽命長。從物理角度來看，所用催化劑可以有效利用放電光輻射，可以增強本征場強，相對熱催化，等離子催化可以在更短的時間內(nèi)活化，且具備更高的活化能。從化學角度來看，通過選擇合適的催化劑，一方面可以影響化學反應的選擇性，進而增強目標反應的強度，另一方面處于高活性狀態(tài)的催化劑可以加快反應速率和提高轉化率。因此，等離子-催化體系增加了能量利用效率，降低了制備成本，提高了單位產(chǎn)量;第四，該方法使用的螺紋電極易加工，在激勵過程中，可以制造更加不均勻的場強，進而降低起始放電電壓。在系統(tǒng)中，管電極的使用可以減少電極本身的能量消耗，也減輕了設備的負重;第五，該方法巧妙的使用內(nèi)電極作為冷卻介質的導管，去除了繁瑣的外置式冷卻裝置，降低設備制造成本的同時，提高了設備的靈活性，且內(nèi)置式冷卻可以更好對等離子區(qū)進行降溫，冷卻介質采用氣體，例如空氣等，冷卻介質來源廣泛，成本低。
【具體實施方式】
[0019]下面結合【具體實施方式】做進一步說明:
實施例1
將10g粒徑為2mm的二氧化鈦催化劑裝填到放電間隙為6mm的圓筒型反應器中，向放電區(qū)域以3L/min通入常溫空氣作為原料氣，通入常溫空氣作為冷卻介質，冷卻介質流速為3L/min;待原料氣流通1min后，啟動激勵電源，將激勵電壓調至1.2kV，激勵頻率調節(jié)至1kHz，開始等離子催化反應并產(chǎn)生臭氧。
[0020]實施例2
將10g粒徑為2mm的二氧化鈦催化劑裝填到放電間隙為6mm的圓筒型反應器中，向放電區(qū)域以3L/min通入氧氣和氬氣的常溫混合氣體作為原料氣，常溫混合氣體的比例為，氧氣:氬氣為5:1摩爾比；通入常溫空氣作為冷卻介質，冷卻介質流速為3L/min，待原料氣流通1min后，啟動激勵電源，將激勵電壓調至1.2kV，激勵頻率調節(jié)至10kHz，開始等離子催化反應并產(chǎn)生臭氧。
[0021]實施例3
將50g粒徑為3mm的二氧化娃催化劑和50g粒徑為2mm鈦酸鋇催化劑裝填到放電間隙為6_的圓筒型反應器中，向放電區(qū)域以3L/min通入常溫空氣作為原料氣，通入常溫空氣作為冷卻介質，冷卻介質流速為3L/min，待原料氣流通1min后，啟動激勵電源，將激勵電壓調至
1.2kV，激勵頻率調節(jié)至1kHz，開始等離子催化反應并產(chǎn)生臭氧。
[0022]實施例4
將50g粒徑為3mm的二氧化硅催化劑和50g粒徑2mm的二氧化鈦催化劑裝填到放電間隙為6_的圓筒型反應器中，向放電區(qū)域以3L/min通入常溫空氣作為原料氣，通入常溫空氣作為冷卻介質，冷卻介質流速為3L/min，待原料氣流通1min后，啟動激勵電源，將激勵電壓調至1.2kV，激勵頻率調節(jié)至1kHz，開始等離子催化反應并產(chǎn)生臭氧。
[0023]實施例5
將10g粒徑為2mm的鎳/鈦酸鋇負載型催化劑裝填到放電間隙為6mm的圓筒型反應器中，向放電區(qū)域以3L/min通入常溫空氣作為原料氣，通入常溫空氣作為冷卻介質，冷卻介質流速為3L/min，待原料氣流通1min后，啟動激勵電源，將激勵電壓調至1.2kV，激勵頻率調節(jié)至1kHz，開始等離子催化反應并產(chǎn)生臭氧。
[0024]以上已將本發(fā)明做一詳細說明，以上所述，僅為本發(fā)明之較佳實施例而已，當不能限定本發(fā)明的實施范圍，即凡依本申請范圍所作均等變化與修飾，皆應仍屬本發(fā)明涵蓋范圍內(nèi)。
【主權項】
1.一種臭氧制備方法，其特征在于:往反應器中加入催化劑，然后將含有氧氣的原料氣充入反應器中，并通入冷卻介質，然后啟動激勵電源通過介質阻擋放電使原料氣活化并形成均勻分布的非平衡等離子體，等離子體中的活性粒子在放電區(qū)域放置的催化劑上發(fā)生反應產(chǎn)生臭氧。2.根據(jù)權利要求1所述的臭氧制備方法，其特征在于:所述原料氣包括純氧、氧氣與惰性氣體的混合氣或者空氣;惰性氣體為氮氣、氬氣或氦氣等;惰性氣體與氧氣根據(jù)所需臭氧的濃度以任意比例進行混合。3.根據(jù)權利要求2所述的臭氧制備方法，其特征在于:催化劑為光觸媒催化劑、鐵電催化劑或負載型催化劑;其中，光觸媒催化劑包括:Ti02、Zn0、CdS、W03、Fe203、PbS、Sn02、ZnS、SrTi03 或 Si02;鐵電催化劑包括:BaTi03、CaTi03、SrTi03、PbTi03、ZnTi03、BaZr03、PbZr03或由前面任意兩種或幾種鐵電材料催化劑組合形成的固溶體;負載型催化劑的載體包括:Si02、A1203、Ti02、硅鋁酸鹽、BaTi03或者活性炭。4.根據(jù)權利要求3所述的臭氧制備方法，其特征在于:所述催化劑采用一類催化劑中的一種單獨填充、或者一類催化劑中的多種混合填充、或者不同類催化劑間混合填充。5.根據(jù)權利要求4所述的臭氧制備方法，其特征在于:用于介質阻擋放電的反應器的模式采用線-筒式、板-板式或線-網(wǎng)式。6.根據(jù)權利要求5所述的臭氧制備方法，其特征在于:所述反應器的內(nèi)電極采用表面具有特征形貌的低電阻金屬管，金屬管表面的特征形貌為連續(xù)螺紋或者均勻分布的針林。7.根據(jù)權利要求6所述的臭氧制備方法，其特征在于:所述反應器的外電極為沉積在電介質表面的金屬薄層，金屬薄層采用鋁、銅或鐵制成。8.根據(jù)權利要求7所述的臭氧制備方法，其特征在于:用于介質阻擋放電的反應器的激勵電源采用交流電源、直流脈沖電源、直流脈沖/交流雙源電源。9.根據(jù)權利要求8所述的臭氧制備方法，其特征在于:用于介質阻擋放電的反應器的冷卻裝置設置在反應器內(nèi)部，利用內(nèi)電極金屬管作為冷卻介質的導管，冷卻介質為常溫的空氣或氮氣;原料氣和冷卻介質都以均勻的速度通入到內(nèi)電極金屬管內(nèi)。
【文檔編號】C01B13/11GK106082134SQ201610465263
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】張寶順, 肖建忠, 宗冰, 蔡延國, 鮑守珍, 王體虎
【申請人】亞洲硅業(yè)（青海）有限公司