專利名稱：氧活性粒子在氣體中形成羥基自由基方法
技術領域：
本發明屬于氣體電離放電、等離子體化學和環境工程應用技術領域，涉及氣體中 氧活性粒子形成羥基自由基方法。
背景技術：
氣體中存在化學性污染物和生物性污染物。化學污染物是指芳香族化合物(甲 苯、二甲苯、對二氯苯等)，有機鹵化物(四氯乙烯、氯甲烷等)；醇類(甲醇、乙醇、氯代乙 醇等)；酮類(丙酮、甲基乙基酮等)；酸類(甲醛、乙醛等)；酯類(乙酸乙酯)；醚類(甲 基醚、乙醚、丙醚、基醚、丙基醚)；有機鹵化物(氯丹、對二氯苯、七氯等)。生物性污染物 是指細菌、霉菌、鏈球菌、咤肺軍團菌和塵螨等，以及氣體二氧化硫、氮氧化物等無機污染 物。通常采用吸附、光催化、負離子、臭氧等凈化方法。這些方法中有效、可行的方法是臭 氧凈化方法。由于臭氧氧化還原電位為2. 07V，是有選擇性分解、氧化污染物，只能處理氣 相中部分污染物；它與污染物反應速率常數僅為IO-1IAmol · s IO2IAmol · s，臭氧在氣相 中殺滅曲霉菌時間達到IOOmin左右，可見，現有氣體凈化技術中最有效是臭氧氣體凈化技 術，但是該技術尚存在如下不足之處，氧化還原電位僅為2. 07V;反應速率常數太低，僅為 IO-1IAmol · s IO2IAmol · s,比羥基自由基· OH要低7個數量級，所以說臭氧是有選擇地 氧化分解污染物以及有選擇殺滅微生物；反應速率常數低，反應時間高達20min lOOmin， 可見臭氧氣體凈化方法難以滿足當前氣體凈化需要。目前的氣體凈化方法存在問題1)對氣體中污染物有選擇性的凈化。即是一種氣體凈化方法治理一種或幾種污染 物，常常是采用幾種空氣凈化方法協同作用來實現氣體凈化目的；2)現有氣體凈化技術的反應速率常數很低，氣體凈化反應時間長達20min lOOmin，難以實現在線快速氣體凈化；3)現有氣體凈化設備體積龐大，一次性投資和運行成本高；4)需要外加催化劑、吸收劑、氧化還原劑等，以便增加反應速率和提高選擇性。

發明內容
本發明的目的是解決氣態中形成羥基自由基方法不足之處，提供氣體中氧活性粒 子形成羥基自由基方法。此發明是把高濃度小流量的氧活性粒子(O2^OyO(1D) ,O(3P)等〕注 入管道或容器中，氧活性粒子中O2+與氣體中水反應生成高初始反應速率常數2. 2 X IO6L/ mol .s的過氧羥基離子H02_引發劑，氧活性粒子與H02_進行等離子體反應生成以·0Η為主 的活性粒子基團，氧化分解氣體中有機污染物以及致死、滅活微小生物、細菌以及病毒。由 于其反應速率常數高達107L\mol 10lclL\mol *s，可在Ims IOs內氧化分解氣體中有 機污染物；致死、滅活微小有害生物及病毒，實現了快速無選擇消除氣體污染物；羥基自由 基·0Η氧化電位高達2. 80V，幾乎與氟(2. 87V)相當，將無選擇性消除氣體中化學和生物污 染，最終分解成CO2、H2O和微量無機鹽。符合綠色化學12原則，并達到高級氧化技術要求，本發明實現了不用氧化劑、催化劑和還原劑，不產生任何再污染的副產品，不對環境產生任 何負面影響的氣體綠色、快速凈化新方法。本發明解決其技術所采用技術方案是本發明是把氧活性粒子產生器2制取的OAO3J(1DhC)(3P)等氧活性粒子6注入 氣道8或反應器10，其中O2+等與氣體中水分子發生等離子體化學反應生成過氧羥基離子引 發劑HO”氧活性粒子在引發劑HO2-作用下形成羥基自由基· 0H，其方案如圖1、2、3所示。本發明采用強電場電離放電方法，把小流量氧氣制取高濃度(lX107/Cm3 4X IO1Vcm3)的OAC^O(1DhC)(3P)等氧活性粒子6注入氣道8 (或反應器10)中，氧活性粒 子中O2+等與氣體7中的水分子發生等離子體化學反應，生成高濃度(107cm3 IOlfVcm3)、 高初始反應速率常數(2. 2XlOVmol · s)的H02_過氧羥基離子引發劑，0^(^0( )、0(3P) 等氧活性粒子6與引發劑HO2-反應生成濃度為IOVcm3 IO1Vcm3的· 0H,它在0. Ols IOs時間內把氣道8或反應器10中污染物氧化消除，實現不用催化劑、吸收劑、還原劑及其 它傳統方法協同作用，· OH氧化消除氣體7中污染物，消除率達到85% 99.8%，從圖1、2 可見，在氣道或反應器中形成· OH方法和裝置是本發明的關鍵技術與裝置。本發明的活性 粒子注入氣道或反應器中的等離子體反應生成· OH模式如圖3所示。此方案將為解決目前在氣體中形成羥基自由基存在的問題提供一種有效、可行的 新設備、新技術。實施本發明的具體步驟是1.氧活性粒子制取。本發明關鍵技術是新研制產生高濃度02+、03、0 (1D)、O(3P)等氧活性粒子6的氧活 性粒子產生器2。它是由放電極板、接地極、電介質層和隔片等部件組成。放電極、接地極是 用鈦或不銹鋼加工成，并用冷卻液體調控等離子體反應過程的溫度。本發明采用介質阻擋強電場電離放電方法把O2制成濃度達到IXlOVcm3 4X IO1Vcm3的氧活性粒子，在放電極與接地極之間的0. 5mm 0. Olmm放電間隙中建立折 合電場強度在200Td 400Td范圍內電離放電場，電子從電場中獲得平均能量達到6eV 9eV，其中大部分電子所具有的最有用能量(8. 4eV 12. 5eV)將沉積在O2上，足以把O2離 解、電離成高濃度活性粒子，并在電場參數調控下分別定向生成氧活性粒子02+、03、O(1D)、 O(3P)等。產生氧活性粒子等離子體反應模式如圖3中所示，向煙道中提供02+、03、O(1D)、 O(3P)等氧活性粒子6濃度達到1 X IOVcm3 4 X IO1Vcm3 ；2.氣道8或反應器10中引發劑HO2-的形成。氧活性粒子中O2+等與氣體7中水 分子反應生成HO2-引發劑，其等離子體反應模式如圖3所示。H2O2與H02_處于一種平衡反應狀態，在氣道或反應器中形成引發劑H02_的濃度達 到 IOVcm3 IO1Vcm303.氣道或反應器·0Η氧化消除污染物。氣道8或反應器10中形成以·0Η為主的 活性粒子基團氧化消除氣體中污染物Μ,污染物最終分解成C02、H2O和微量無機鹽。本發明的效果和益處是把氧活性粒子注入氣道或反應器中與氣體中水分子反應 生成·0Η，此反應是把高級氧化技術從水處理領域擴展到新的氣體領域。由于其化學反應速 率快，比目前的氣體凈化方法高出7個數量級以上，所以消除污染物的化學反應時間僅為 0. Ols 10s，因而流程縮短，設備減少，這將大幅度降低設備投資和運行成本、降低能耗； 實現了不用外加催化劑、吸收劑和還原劑的快速綠色氣體凈化；降低了運行成本，又不發生新的環境污染，解決了目前氣體凈化技術的難題，因而做到了環境零污染、零廢物排放，達 到了高級氧化技術原則要求；有利于解決我國氣體凈化能耗高凈化效率低和體積龐大等問題。


圖1是氧活性粒子注入氣道中形成羥基自由基方案示意圖。圖2是氧活性粒子注入反應器中形成羥基自由基方案示意圖。圖3是氣道或反應器中生成· OH的等離子體化學反應模式圖。圖4是氧活性粒子與污染物摩爾比η對消除污染率影響的曲線圖。圖5是氣道中水體積濃度對消除污染物影響的曲線圖。圖6是煙氣溫度對消除污染物影響的曲線圖。圖中1.氧氣；2.氧活性粒子產生器；3.高壓電纜；4.高頻高壓電源；5. 220V ； 6. OAOyO(1DhC)(3P)等氧活性粒子；7.氣體；8.氣道；9.凈化氣體；10.反應器。
具體實施例方式下面結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。本發明總體實施方案如圖1、2所示。把氧氣1離解、電離后形成02+、03、0(10)、0作) 等氧活性粒子6的氧活性粒子產生器2。本發明的氧活性粒子生成及注入氣道8或反應器 10中的生成羥基自由基等離子體化學反應模式如圖3所示。把小流量氧氣1注入氧活性粒子產生器2，高頻高壓電是由高頻高壓電源4施加 到放電極板上，在放電間隙中形成折合電場強度達到200Td 400Td的強電離電場，氧氣1 經離解、電離后形成濃度達到1 X IOVcm3 4 X IO1Vcm3的O2+、O3、0 (1D)、0 (3P)等氧活性粒 子6，其中O2+與氣體中水反應生成HO2-引發劑濃度達到IOVcm3 1016/cm3o 02+、03、0鄺)、 O(3P)等氧活性粒子6與H02_引發劑進行等離子體化學反應生成·0Η，其濃度達到107cm3
1 A18 / 3
10 /cm。本發明實施結果如圖4 6所示。從圖4的氧活性粒子與污染物摩爾比η對污染物 消除率影響的曲線可知，當氧活性粒子與污染物摩爾比為4時，污染物消除率達到97. ； 當η = 2時，消除率達到91. 5%。從圖5可見，氣體中水體積濃度低于4%時，對污染物消 除率的影響較大，當水體積濃度大于8%時，則水體積濃度對污染物消除率幾乎沒有影響。 從圖6可見，氣體溫度低于60°C時則對污染物消除率幾乎無影響，大于70°C時成線性下降。
權利要求
1. 一種氧活性粒子在氣體中形成羥基自由基方法，是把氣體電離放電產生的氧活性粒 子(O2^OyO(1DhC)(3P)等〕后再注入管道中或容器中，其中的O2+與氣體中水反應生成過氧 羥基離子(ho2_)引發劑，氧活性粒子在HO2_催化劑作用下，反應生成羥基自由基·0Η，其特 征是a 氣體含水量在 20%，溫度在4°C 80°C，O2+與氣體中水反應生成反應速率常 數為2. 2 XlOVmol .s的過氧羥基離子引發劑，當O2+濃度為106/cm3 IO1Vcm3時，H02_濃 度達到 IOVcm3 IO1Vcm3 ；b :02被強電離電場電離、離解成氧活性粒子〔OAOyO(1DhC)(3P)等〕，當電離電場強度 為250Td 350Td時氧活性粒子濃度達到1 X 107/cm3 4 X IO1Vcm3 ；c 氣體電離放電產生氧活性粒子濃度達到1 X IOVcm3 4X 1018/cm3時，氧活性粒子在 HO2-催化劑作用下反應生成羥基自由基· 0H，其濃度達到107cm3 1018/cm3 ； d 氧活性粒子在過氧羥基離子作用下生成羥基自由基時間為1 μ s 1ms。
全文摘要
一種氧活性粒子在氣體中形成羥基自由基方法，屬于氣體電離放電、等離子體化學和環境工程應用技術領域。其特征是濃度為1×107/cm3～4×1018/cm3氧活性粒子〔O2+、O3、O(1D)、O(3P)〕注入氣道或反應器中，其中O2+與氣體中H2O反應生成HO2-引發劑，氧活性粒子與引發劑HO2-進行等離子體反應生成·OH，其反應時間為1μs～1ms；·OH氧化消除氣體中污染物，其反應時間在0.01s～10s。本發明的效果和益處是解決了目前氣體消除污染物存在的問題，實現了不用催化劑、吸收劑和還原劑，不對環境產生任何負面影響的氣體凈化的新方法。
文檔編號A61L9/015GK102091339SQ20101056713
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月22日 優先權日2010年11月22日
發明者冷宏, 張芝濤, 毛首蕾, 王永偉, 白敏冬, 白敏菂 申請人:大連海事大學