一种等离子体改性碳材料的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种等离子体改性碳材料的装置及方法，包括改性反应器和气体循环系统，所述改性反应器包括壳体，壳体内部从上至下依次设置气包、喷管和不锈钢粉末多孔板，所述壳体在不锈钢粉末多孔板下部设有改性气体进口，上部设有改性气体出口；所述气包顶部开孔连接气体循环系统，底部均匀开设气孔连接喷管；所述喷管作为针板放电的阳极连接电源，不锈钢粉末多孔板作为阴极接地；所述喷管底部隔空正对不锈钢粉末多孔板，所述不锈钢粉末多孔板上布置若干孔隙；所述气体循环系统的进口连接改性反应器的底部，出口连接气包顶部。通过电离改性气体，能够改变碳材料表面的化学性质，效率高、速度快、功能多、可大面积工业化运行。

【技术实现步骤摘要】
一种等离子体改性碳材料的装置及方法
本专利技术属于等离子体
，更具体地，涉及一种等离子体改性碳材料的装置及方法。
技术介绍
活性炭(AC)具有高比表面积、较大的孔容积、良好的孔结构和可调的表面化学性质，所以常被用作吸附剂。但对一些难以吸附去除的污染物质(如乙醇、甲苯、正丁烷、铜离子、铬离子、铅离子、汞等)，活性炭吸附存在一定的困难。因此，我们需要对活性炭表面进行改性，以提高其对特殊污染物的吸附性能。目前对活性炭改性的方法包括物理改性和化学改性两种。物理改性包括微波改性、高温热处理改性等；化学改性包括氧化改性、还原改性、酸碱改性、等离子体改性等。微波改性是通过物体内分子的无规则运动相互摩擦产生的热量，从而快速加热物体，使活性炭表面的官能团与改性剂充分接触反应。研究表明微波改性既可以改变孔隙结构，也可以改变表面官能团的类型和数量。特别是表面碱性基团增加，从而有助于有机物的吸附。微波改性具有产热快，无污染，耗能少，操作简单且容易控制等优点，但也存在孔径减小，表面形状变得粗糙，以及碳骨架容易收缩变小等问题。高温热处理改性是在惰性气体的条件下，对活性炭进行高温加热，从而该变其孔隙结构。该方法的主要因素在于其温度的控制。该方法可以使碳材料表面化学性质更加稳定，活性炭比表面积和总孔容增加。但是高温热处理可能会使孔道收缩，影响吸附效果。氧化改性是利用氧化剂改变活性炭表面含氧官能团数量，通过增强活性炭表面的亲水性、酸性和极性，使其吸附性能得到提高。随着氧化程度增加，碳材料表面的含氧官能团也在增加。氧化改性能够增强碳材料表面的亲水性和极性，从而促进极性物质吸附，但对非极性物质吸附能力下降，且可能产生二次污染。还原改性则是在一定的温度下加入还原剂对活性炭进行改性，改性后活性炭表面的碱性官能团数量增加，使活性炭表面碱性、非极性和疏水性增加，使其对非极性物质的吸附能力增强。但是对极性物质吸附能力下降，且有二次污染。酸碱改性是指将活性炭放在非氧化还原性酸溶液(H2SO4、H3PO4)或碱溶液(NaOH)中进行改性，一方面可以除去活性炭表面杂质，另一方面改变了活性炭表面的化学官能团，使其吸附能发生改变。酸碱改性要根据吸附物质的特点进行针对性的改性。酸改性使活性炭表面酸性官能团数量增加，提高对金属离子的吸附能力；而碱改性会使活性炭表面碱性基团含量增加，有利于有机物质的吸附。等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子、电子、原子和激发态分子。在对碳基材料改性的过程中，可以向等离子体反应器引入所需的气体，在表面形成官能团，从而提高活性炭的吸附性能。该方法不仅能够改变碳材料表面的化学性质，而且装置简单、能耗低、效率高、速度快、功能多、可大面积工业化运行。现有的等离子体活性炭改性装置常采用介质阻挡方式，但介质阻挡放电强度低，不利于活性粒子的产生，也无法有效改变活性炭的物理结构，同时其反应间隙小，只能够填充2～3mm厚度的活性炭层来进行改性，所以改性量较小，不利于工业化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对以上不足，提供一种等离子体改性碳材料的装置及方法，能够改变碳材料表面的化学性质，且效率高、速度快、功能多、可大面积工业化运行。为实现上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种等离子体改性碳材料的装置，包括改性反应器和气体循环系统，所述改性反应器包括壳体，壳体内部从上至下依次设置气包、喷管和不锈钢粉末多孔板，所述壳体在不锈钢粉末多孔板下部设有改性气体进口，上部设有改性气体出口；所述气包顶部开孔连接气体循环系统，底部均匀开设气孔连接喷管；所述喷管作为针板放电的阳极连接高压电源，不锈钢粉末多孔板作为阴极接地；所述喷管底部隔空正对不锈钢粉末多孔板，所述不锈钢粉末多孔板上布置若干微米级孔隙；所述气体循环系统的进口连接改性反应器的底部，出口连接气包顶部。优选的，所述喷管底部与不锈钢粉末多孔板上表面的距离为1～2cm；所述电压根据该距离在20～50kv内调节，距离越大则电压越大。所述喷管为中空的不锈钢管，直径为2～5mm，长度为1～2cm，间距为2～4cm，沿圆周均匀分布；所述不锈钢粉末多孔板为圆形板，直径为15～20cm，厚度为0.2～0.5cm。上述设计既可以增强放电强度，又增加电离的分布范围，即增加等离子体的覆盖面积，提高改性效果。进一步优选的，所述不锈钢粉末多孔板内嵌在反应器壳体内部，与壳体内部用橡胶密封圈紧密相连。所述不锈钢粉末多孔板上的若干孔隙孔径为2～3μm，既能使改性气体通过，又能支撑不锈钢粉末多孔板上的碳材料。优选的，所述气包为圆筒形，气包底部直径与反应器壳体内径相匹配，与壳体内部用橡胶密封圈密封连接。优选的，所述气包底部采用不锈钢材料，其余部分采用绝缘材料。优选的，所述壳体是由绝缘材料石英玻璃制成的圆柱形壳体，石英玻璃厚度为1cm，直径15～20cm，高度按实际需要自由调节。优选的，所述改性气体进口设置于不锈钢粉末多孔板下部的一侧，改性气体出口设置于不锈钢粉末多孔板上部的另一侧，改性气体从一侧进气，从另一侧出气，方便快速充满。进一步优选的，所述改性气体进口设置进口阀门，改性气体出口设置出口阀门，通过阀门打开或关闭改性气体进口和改性气体出口。优选的，所述气体循环系统包括循环泵和循环管道，所述循环管道一端连接改性反应器底部，另一端连接气包顶部，所述循环管道中还设有循环管道阀门。一种等离子体改性碳材料的方法，采用上述改性装置，包括以下步骤：将活性炭粉末均匀放置在不锈钢粉末多孔板上；打开改性气体进口和改性气体出口，将改性气体注入改性反应器，直至反应器内部的气体全部变为所需的改性气体；关闭改性气体出口，打开气体循环系统，让改性气体在改性反应器内循环流动，当喷管口有气体喷出，再关闭改性气体进口；打开电源，使喷管放电将改性气体电离，电压为20～40kv，放电时间为10～20min，关闭电源，关闭循环泵，放电结束，改性完成。优选的，所述活性炭粉末为40～60目的颗粒，在不锈钢粉末多孔板上布置的厚度为0.5～1cm。该设计综合考虑活性炭的重力及表面面积等因素的影响，能够使活性炭与改性气体充分接触，改性更加充分，改性效果更好。优选的，所述改性气体可以为O2、N2、NH3、H2S、氩气或空气中的一种，可以根据不同的改性需求，选择不同的改性气体，实现碳材料改性的多功能化。放电过程中，改性气体在喷管口分解；然后经过活性炭层，与活性炭发生反应；同时，放电过程中能够改变活性炭的表面结构。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术所述等离子体改性碳材料的装置，采用多喷管设计，改性气体在喷管口处被强烈电离，裂解成相应活性基团，从而大大提高活性基团的产率；同时，喷管直接面向活性炭，使活性炭表面发生反应，从而改变表面结构。不锈钢粉末板设计有利于改性气体均匀通过活性炭层，使全部活性炭接触到活性基团，从而实现高效本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种等离子体改性碳材料的装置，其特征在于包括改性反应器和气体循环系统，/n所述改性反应器包括壳体，壳体内部从上至下依次设置气包、喷管和不锈钢粉末多孔板，所述壳体在不锈钢粉末多孔板下部设有改性气体进口，上部设有改性气体出口；/n所述气包顶部开孔连接气体循环系统，底部均匀开设气孔连接喷管；/n所述喷管作为针板放电的阳极连接电源，不锈钢粉末多孔板作为阴极接地；所述喷管底部隔空正对不锈钢粉末多孔板，所述不锈钢粉末多孔板上布置若干微米级孔隙；/n所述气体循环系统的进口连接改性反应器的底部，出口连接气包顶部。/n

【技术特征摘要】
1.一种等离子体改性碳材料的装置，其特征在于包括改性反应器和气体循环系统，
所述改性反应器包括壳体，壳体内部从上至下依次设置气包、喷管和不锈钢粉末多孔板，所述壳体在不锈钢粉末多孔板下部设有改性气体进口，上部设有改性气体出口；
所述气包顶部开孔连接气体循环系统，底部均匀开设气孔连接喷管；
所述喷管作为针板放电的阳极连接电源，不锈钢粉末多孔板作为阴极接地；所述喷管底部隔空正对不锈钢粉末多孔板，所述不锈钢粉末多孔板上布置若干微米级孔隙；
所述气体循环系统的进口连接改性反应器的底部，出口连接气包顶部。


2.根据权利要求1所述的等离子体改性碳材料的装置，其特征在于所述喷管底部与不锈钢粉末多孔板上表面的距离为1～2cm。


3.根据权利要求2所述的等离子体改性碳材料的装置，其特征在于所述喷管为中空的不锈钢管，直径为2～5mm，长度为1～2cm，间距为2～4cm，沿圆周均匀分布。


4.根据权利要求2所述的等离子体改性碳材料的装置，其特征在于所述不锈钢粉末多孔板为圆形板，直径为15～20cm，厚度为0.2～0.5cm。


5.根据权利要求1所述的等离子体改性碳材料的装置，其特征在于所述气包为圆筒形，气包底部直径与反应器壳体内径相匹配，与壳体内部用橡胶密封圈密封连接，气包底部采用不锈钢材料，其余部分采用绝缘...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴祖良，刘奇杰，姚水良，李晶，高尔豪，王伟，朱佳丽，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32