專利名稱：常壓等離子體噴射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明揭露了一種常壓等離子體噴射裝置，特別是揭露了一種利用常壓等離子體技術(shù)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)產(chǎn)物的裝置。
背景技術(shù)：
目前已知的等離子體技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各產(chǎn)業(yè)，如石化工業(yè)、光電與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、3C與汽車零組件產(chǎn)業(yè)、民生與食品業(yè)、生醫(yī)材料產(chǎn)業(yè)等。但現(xiàn)今發(fā)展最為成熟的等離子體技術(shù)多在真空制程下進(jìn)行，而有諸多缺點(diǎn)，如抽真空耗費(fèi)時(shí)間、真空設(shè)備與維護(hù)費(fèi)昂貴、物品尺寸受限于腔體大小、無法進(jìn)行在線連續(xù)制程等。雖然在一個(gè)大氣壓下產(chǎn)生等離子體是最經(jīng)濟(jì)、最有效率的一種方式，但一般等離子體制程為使等離子體穩(wěn)定的產(chǎn)生，系統(tǒng)必須 操作在低壓下。因此需要真空腔體和真空泵來維持低壓的環(huán)境，不但成本提高、單位時(shí)間處理量大減，而且設(shè)備維護(hù)費(fèi)用也高。比如說，真空泵一般怕強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、微粒等，極易受損。因此若能在常壓下產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體就不再需要上述的真空設(shè)備，裝置簡化，操作及維修費(fèi)用大大降低，此外其裝置可不受真空腔體大小的限制，而且制程容易以連續(xù)式操作，可處理量也大幅提升。由于“常壓等離子體技術(shù)”無上述限制，設(shè)備與操作成本低、操作速度快、可適用于連續(xù)式的制程操作，因此容易與其它連續(xù)式的設(shè)備相結(jié)合而大幅提升生產(chǎn)效率，故相較于傳統(tǒng)的低壓等離子體，常壓等離子體大大拓展了等離子體的應(yīng)用領(lǐng)域，其中尤其是常壓噴射式等離子體(Atmospheric Plasma Jet)系統(tǒng)因具有非熱等離子體的特性且易整合于制程產(chǎn)線而備受注目。此外，由于噴射式等離子體系統(tǒng)具有節(jié)省能源、操作維修容易及設(shè)備體積小等優(yōu)勢，因此應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)上相當(dāng)具有潛力。在此技術(shù)的應(yīng)用上，第US20060048893號美國專利是一種非電弧常壓處理反應(yīng)器，其中包括a.芯片平臺，其為電性導(dǎo)電；b.至少一個(gè)射頻電極，置于芯片平臺附近，以允許在芯片平臺與至少一個(gè)射頻電極之間建立一個(gè)電場；c.射頻電力供應(yīng)器，電性接觸至少一個(gè)射頻電極與上述的芯片平臺以建立上述的電場，其用以產(chǎn)生上述的非電弧常壓等離子體；d.制程氣體供應(yīng)器，其包含支撐氣體90% -99%的混合物及1%至10%的反應(yīng)氣體在電場的存在下建立非電弧常壓等離子體。第US3585434號美國專利是一種常壓等離子體噴射產(chǎn)生裝置，包括由環(huán)形電極形成的陰極和圓柱形電極形成的陽極，所述圓柱形電極插入上述環(huán)形電極的中央部位，其中電弧產(chǎn)生于電極之間以加熱氣體至很高的溫度。此外，第US5961772號美國專利是一種常壓等離子體噴射器，包括a.電性導(dǎo)電、接地圓柱形的腔體，其非為尖形且具有封閉端、開放端、以及縱向軸線；b.圓柱形電極，置于圓柱形的腔體內(nèi)，亦設(shè)置縱向軸，以使得其縱向軸與圓柱形腔體的縱向軸共軸，因而定義為環(huán)狀區(qū)；c.圓柱形絕緣帽，置于圓柱形電極的末端，使其最鄰近于圓柱形腔體的開放端及圓柱形腔體的內(nèi)部，以防止電弧在圓柱形的電極與圓柱形的腔體之間產(chǎn)生。然而，目前并未有人利用常溫常壓噴射等離子體系統(tǒng)，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)產(chǎn)物。
在上述發(fā)明背景說明段落中所揭露的內(nèi)容，僅為增進(jìn)對本發(fā)明的背景技術(shù)的了解，因此，上述的內(nèi)容含有不構(gòu)成阻礙本發(fā)明的先前技術(shù)，且應(yīng)為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種常壓等離子體技術(shù)，可利用等離子體活化二氧化碳及水后，反應(yīng)生成有機(jī)產(chǎn)物，在轉(zhuǎn)化的過程中，并不需要使用催化劑，也不需使用經(jīng)高壓壓縮的二氧化碳?xì)怏w，其具備在常溫常壓下進(jìn)行、反應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的另一目的是將二氧化碳轉(zhuǎn)換成有用的有機(jī)產(chǎn)物，所得的產(chǎn)物不僅可作為石化塑料的高分子材料，亦可作為燃料的有機(jī)小分子。利用此方式可大量簡化傳統(tǒng)化學(xué)制程轉(zhuǎn)化二氧化碳所需的時(shí)間及成本，在工業(yè)利用上有益于量產(chǎn)，同時(shí)也符合經(jīng)濟(jì)效益。
有鑒于此，本發(fā)明提供一種利用常壓等離子體技術(shù)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物及燃料的裝置，其可在常溫且不需催化劑的環(huán)境下，通過振動(dòng)激發(fā)(vibrational excitation)的方式提供能量，將二氧化碳在等離子體狀態(tài)下，經(jīng)由反對稱拉伸機(jī)制而分解，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)產(chǎn)物。因此，為達(dá)上述目的，提出一種常壓等離子體噴射裝置，用于利用常壓等離子體技術(shù)將二氧化碳轉(zhuǎn)化成有機(jī)產(chǎn)物，其包括內(nèi)電極，由高導(dǎo)電性金屬制成，且內(nèi)電極具有絕緣層，此絕緣層包覆內(nèi)電極的一部分；第一導(dǎo)電金屬壁，以預(yù)定距離環(huán)繞內(nèi)電極，使內(nèi)電極與第一導(dǎo)電金屬壁之間形成腔體，且第一導(dǎo)電金屬壁的一側(cè)具有孔隙，以使反應(yīng)物流入腔體；以及擴(kuò)散單元，包括絕緣構(gòu)件和導(dǎo)電金屬構(gòu)件，絕緣構(gòu)件設(shè)置于絕緣層的一側(cè)，包覆內(nèi)電極的另一部分且與孔隙相對，且導(dǎo)電金屬構(gòu)件還進(jìn)一步包覆絕緣構(gòu)件。 優(yōu)選地，本發(fā)明的常壓等離子體噴射裝置還可包括等離子體供應(yīng)裝置，其與內(nèi)電極連接。優(yōu)選地，內(nèi)電極可包含金屬鎢。優(yōu)選地，本發(fā)明的常壓等離子體噴射裝置還可包括接地電極，設(shè)置于第一導(dǎo)電金屬壁的一部分處。優(yōu)選地，本發(fā)明的常壓等離子體噴射裝置還可包括外殼，其包覆絕緣層，且用以固定及調(diào)整內(nèi)電極的水平位移。優(yōu)選地，反應(yīng)物可為二氧化碳、水及烷類化合物，烷類化合物可包括甲烷，且二氧化碳及水的體積百分比可為100 : I I : 100，水的溫度可為20 10(U.,且二氧化碳流量可為O. I IOOslmo優(yōu)選地，本發(fā)明的常壓等離子體噴射裝置還可包括第二導(dǎo)電金屬壁，其與第一導(dǎo)電金屬壁連結(jié)，活動(dòng)地設(shè)置在相對于絕緣層的一端，并且朝向內(nèi)電極的軸向延伸而形成開口，以使有機(jī)產(chǎn)物集中釋出，此外，第二導(dǎo)電金屬壁可通過調(diào)整角度來維持有機(jī)產(chǎn)物釋放的穩(wěn)定性。優(yōu)選地，經(jīng)本發(fā)明的常壓等離子體噴射裝置反應(yīng)后，有機(jī)產(chǎn)物可為酯類、醚類、酸類、醇類、醛類、酮類、直碳鏈碳?xì)浠衔?、環(huán)狀碳?xì)浠衔锘蚱浣M合物。優(yōu)選地，擴(kuò)散單元在反應(yīng)物流入腔體后，可用于降低反應(yīng)物對內(nèi)電極的沖擊，以使有機(jī)產(chǎn)物以層流(laminar flow)的方式穩(wěn)定地釋出。
優(yōu)選地，本發(fā)明的常壓等離子體噴射裝置還可包括電源供應(yīng)裝置，其與內(nèi)電極相連結(jié)，頻率可為60 9000Hz。優(yōu)選地，內(nèi)電極可為射頻電極，其頻率可為6. 78 27MHz。本發(fā)明其它的特征及優(yōu)點(diǎn)，將在下述說明書中闡述，且可從說明書中或是經(jīng)由實(shí)施本發(fā)明而明顯得知。


本發(fā)明上述和其它的特征與優(yōu)點(diǎn)，將利用參考附圖進(jìn)行示例實(shí)施例的詳細(xì)敘述，而使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員從中獲得了解，其中圖I是本發(fā)明的常壓等離子體噴射裝置的剖視圖；·
圖2A是本發(fā)明反應(yīng)物經(jīng)常壓等離子體噴射裝置活化后，經(jīng)光學(xué)放射光譜儀(0ESspectrum)分析后得到的吸收波長與強(qiáng)度的關(guān)系圖；圖2B是本發(fā)明的常壓等離子體噴射裝置的內(nèi)電極放電量與經(jīng)活化后分子碎片的強(qiáng)度關(guān)系圖；圖3是本發(fā)明的常壓等離子體噴射裝置的下視圖；圖4是為經(jīng)本發(fā)明的常壓等離子體噴射裝置以50W反應(yīng)后以氣相層析質(zhì)譜分析儀做分析所得知結(jié)果；以及圖5是經(jīng)本發(fā)明的常壓等離子體噴射裝置以60W反應(yīng)后以氣相層析質(zhì)譜分析儀做分析所得知結(jié)果。主要組件符號說明100 :常壓等離子體噴射裝置101:內(nèi)電極102 :絕緣層103:第一導(dǎo)電金屬壁104 :孔隙105:第二導(dǎo)電金屬壁106 :擴(kuò)散單元1061 :絕緣構(gòu)件1062:導(dǎo)電金屬構(gòu)件107 :等離子體供應(yīng)裝置108 :接地電極109 :外殼110:電源供應(yīng)裝置
具體實(shí)施例方式以下將參照相關(guān)附圖，說明根據(jù)本發(fā)明的常壓等離子體噴射裝置的實(shí)施例，為了便于理解，下述實(shí)施例中的相同組件以相同的符號標(biāo)示來說明。以下將結(jié)合附圖詳細(xì)敘述例示實(shí)施例。然而，這些實(shí)施例可以包括于不同的形式中，且不應(yīng)被解釋為用以限制本發(fā)明。提供這些實(shí)施例使得本發(fā)明的公開完整與完全，熟知此技術(shù)之人將能通過這些實(shí)施例了解本發(fā)明的范圍。請參照圖1，圖I是本發(fā)明的常壓等離子體噴射裝置的剖視圖。如圖I所示，本發(fā)明的常壓等離子體噴射裝置100可包括內(nèi)電極101，其由耐高溫、剛性佳及導(dǎo)電性強(qiáng)的金屬鎢制成，金屬鎢可使內(nèi)電極101較能抗磨損，內(nèi)電極101設(shè)置在此裝置100的中央位置，且具有絕緣層102，其包覆內(nèi)電極101的一部分；第一導(dǎo)電金屬壁103，以預(yù)定距離環(huán)繞內(nèi)電極101,使得內(nèi)電極101與第一導(dǎo)電金屬壁103之間形成腔體,其中第一導(dǎo)電金屬壁103的一側(cè)具有孔隙104，以使反應(yīng)物流入腔體；第二導(dǎo)電金屬壁105，其與第一導(dǎo)電金屬壁103連結(jié)，其可活動(dòng)地設(shè)置在相對于絕緣層102的一端，并且朝向內(nèi)電極101的軸向延伸而形成開口，不僅可使有機(jī)產(chǎn)物集中釋出，更可通過材料的更換及角度的調(diào)整維持產(chǎn)物釋放的穩(wěn)定性。此外，本發(fā)明的常壓等離子體噴射裝置100還可包括擴(kuò)散單元106，其包括絕緣構(gòu)件1061和導(dǎo)電金屬構(gòu)件1062。其中，絕緣構(gòu)件1061設(shè)置在絕緣層102的一側(cè)，包覆內(nèi)電 極101的另一部分且與孔隙104相對，且導(dǎo)電金屬構(gòu)件1062還進(jìn)一步包覆絕緣構(gòu)件1061。其中，擴(kuò)散單元106可在反應(yīng)物流入腔體后，避免反應(yīng)物與內(nèi)電極101產(chǎn)生直接撞擊而穩(wěn)定地反應(yīng)，并使產(chǎn)物以層流(laminar flow)的方式，使產(chǎn)物穩(wěn)定地釋出，且還可通過避免反應(yīng)物與內(nèi)電極101的直接撞擊而增加內(nèi)電極101放電的穩(wěn)定性；等離子體供應(yīng)裝置107，其可與內(nèi)電極101連接；接地電極108，設(shè)置在第一導(dǎo)電金屬壁103的一部分處；外殼109，包覆絕緣層102，用以固定及調(diào)整內(nèi)電極101的水平位移，使內(nèi)電極101位于此裝置100的中央位置；電源供應(yīng)裝置110，其與內(nèi)電極101連接，頻率可為60 9000Hz，其中60Hz為一般交流電的頻率，而當(dāng)電力或反應(yīng)物的量較大時(shí)可至9000Hz ;當(dāng)頻率較低時(shí)，較容易使等離子體供應(yīng)裝置107產(chǎn)生等離子體，成本較低，但較不易使反應(yīng)物解離；當(dāng)頻率較高時(shí)，較不易使等離子體供應(yīng)裝置107產(chǎn)生等離子體，成本較高，但較容易使反應(yīng)物解離。優(yōu)選地，反應(yīng)物為二氧化碳、水及烷類化合物，烷類化合物可包括甲烷，且二氧化碳及水的體積百分比可為100 : I I : 100，較佳為3 : I 9 : 1，更佳為7. 2 I。其中，水的溫度為20 100°C，較佳為80°C，二氧化碳流量為O. I IOOslm，較佳為3slm。優(yōu)選地，內(nèi)電極101可為射頻電極，其頻率可為6. 78 27MHz，較佳為13. 56MHz。二氧化碳及水流入本發(fā)明的常壓等離子體噴射裝置100的分解機(jī)制如下CO2 — C0+0 H2O — 0Η+Η — 0+Η+Η活化反應(yīng)得到有機(jī)產(chǎn)物的機(jī)制如下C02+2H2 — CH3OH+1/202由此可知，利用等離子體將二氧化碳及水活化后，藉此二氧化碳及水的雙鍵鍵結(jié)斷裂，致使產(chǎn)生具有反應(yīng)性分子的碎片，再更進(jìn)一步調(diào)整等離子體參數(shù)后，可得不同碎裂程度的分子碎片，經(jīng)過光學(xué)放射光譜儀(OES spectrum)分析可逐一得知這些分子碎片(如以下表I以及圖2A所示)。圖2B則為內(nèi)電極101在45-70W時(shí)，這些分子碎片的強(qiáng)度。依照不同分子碎片的重組，可得到的產(chǎn)物除了為醇類之外，可更進(jìn)一步為酯類、醚類、酸類、醇類、醛類、酮類、直碳鏈碳?xì)浠衔?、環(huán)狀碳?xì)浠衔锘蚱浣M合物等。表I.反應(yīng)物雙鍵鍵結(jié)斷裂后的分子碎片
權(quán)利要求
1.一種常壓等離子體噴射裝置，用于利用常壓等離子體技術(shù)將二氧化碳轉(zhuǎn)化成有機(jī)產(chǎn)物，其特征在于，它包括 內(nèi)電極，由高導(dǎo)電性金屬制成，且所述內(nèi)電極具有絕緣層，所述絕緣層包覆所述內(nèi)電極的一部分； 第一導(dǎo)電金屬壁，以預(yù)定距離環(huán)繞所述內(nèi)電極，使所述內(nèi)電極與所述第一導(dǎo)電金屬壁之間形成腔體，且所述第一導(dǎo)電金屬壁的一側(cè)具有孔隙，以使反應(yīng)物流入所述腔體；以及 擴(kuò)散單元，包括絕緣構(gòu)件和導(dǎo)電金屬構(gòu)件，所述絕緣構(gòu)件設(shè)置在所述絕緣層的一側(cè)，包覆所述內(nèi)電極的另一部分且與所述孔隙相對，且所述導(dǎo)電金屬構(gòu)件還進(jìn)一步包覆所述絕緣構(gòu)件。
2.如權(quán)利要求I所述的常壓等離子體噴射裝置，其特征在于，還包括等離子體供應(yīng)裝置，其與所述內(nèi)電極連接。
3.如權(quán)利要求I所述的常壓等離子體噴射裝置，其特征在于，所述內(nèi)電極包含鎢。
4.如權(quán)利要求I所述的常壓等離子體噴射裝置，其特征在于，還包括接地電極，設(shè)置在所述第一導(dǎo)電金屬壁的一部分處。
5.如權(quán)利要求I所述的常壓等離子體噴射裝置，其特征在于，還包括外殼，其包覆所述絕緣層，且用以固定及調(diào)整所述內(nèi)電極的水平位移。
6.如權(quán)利要求I所述的常壓等離子體噴射裝置，其特征在于，所述反應(yīng)物為二氧化碳、水及烷類化合物。
7.如權(quán)利要求6所述的常壓等離子體噴射裝置，其特征在于，所述烷類化合物包括甲燒。
8.如權(quán)利要求6所述的常壓等離子體噴射裝置，其特征在于，二氧化碳及水的體積百分比為100 : I I : 100。
9.如權(quán)利要求6所述的常壓等離子體噴射裝置，其特征在于，水的溫度為20 100°C。
10.如權(quán)利要求6所述的常壓等離子體噴射裝置，其特征在于，二氧化碳流量為O.I lOOslm。
11.如權(quán)利要求I所述的常壓等離子體噴射裝置，其特征在于，還包括第二導(dǎo)電金屬壁，其與所述第一導(dǎo)電金屬壁連接，活動(dòng)地設(shè)置在相對于所述絕緣層的一端，并且朝向所述內(nèi)電極的軸向延伸而形成開口，以使所述有機(jī)產(chǎn)物集中釋出。
12.如權(quán)利要求11所述的常壓等離子體噴射裝置，其特征在于，所述第二導(dǎo)電金屬壁通過調(diào)整其角度來維持所述有機(jī)產(chǎn)物釋放的穩(wěn)定性。
13.如權(quán)利要求I所述的常壓等離子體噴射裝置，其特征在于，所述有機(jī)產(chǎn)物為酯類、醚類、酸類、醇類、醛類、酮類、直碳鏈碳?xì)浠衔?、環(huán)狀碳?xì)浠衔锘蚱浣M合物。
14.如權(quán)利要求I所述的常壓等離子體噴射裝置，其特征在于，所述擴(kuò)散單元于所述反應(yīng)物流入所述腔體后，用于降低所述反應(yīng)物對所述內(nèi)電極的沖擊，以使所述有機(jī)產(chǎn)物以層流的方式穩(wěn)定地釋出。
15.如權(quán)利要求I所述的常壓等離子體噴射裝置，其特征在于，還包括電源供應(yīng)裝置，其與所述內(nèi)電極連接，頻率為60 9000Hz。
16.如權(quán)利要求I所述的常壓等離子體噴射裝置，其特征在于，所述內(nèi)電極為射頻電極，其頻率為6. 78 27MHz ο
全文摘要
本發(fā)明揭露了一種常壓等離子體噴射(APPJ)裝置，用于利用常壓等離子體技術(shù)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)產(chǎn)物，其包括內(nèi)電極，由高導(dǎo)電性金屬制成，且內(nèi)電極具有絕緣層，絕緣層包覆內(nèi)電極的一部分；第一導(dǎo)電金屬壁，以預(yù)定距離環(huán)繞內(nèi)電極，使內(nèi)電極與第一導(dǎo)電金屬壁之間形成腔體，且第一導(dǎo)電金屬壁的一側(cè)具有孔隙，以使反應(yīng)物流入腔體；以及擴(kuò)散單元，包括絕緣構(gòu)件和導(dǎo)電金屬構(gòu)件，其中，絕緣構(gòu)件設(shè)置于絕緣層的一側(cè)，包覆內(nèi)電極的另一部分并與孔隙相對，且導(dǎo)電金屬構(gòu)件還進(jìn)一步包覆絕緣構(gòu)件。
文檔編號H05H1/30GK102958265SQ20111030488
公開日2013年3月6日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月24日
發(fā)明者楊長謀, 張濬智, 談駿嵩 申請人:楊長謀