![]() 常壓電漿噴射裝置
专利摘要:
本發明係揭露一種常壓電漿噴射(APPJ)裝置,係用於利用常壓電漿技術將二氧化碳轉化為有機產物,其包含:一內電極,係由一高導電性金屬製成,且內電極具有一絕緣層,絕緣層係包覆內電極之ㄧ部分;一第一導電金屬壁,係以一預定距離環繞內電極,使內電極與第一導電金屬壁之間形成一腔體,且第一導電金屬壁之ㄧ側具有一孔隙,以使一反應物流入腔體;以及一擴散單元,係包含一絕緣構件和一導電金屬構件,其中,絕緣構件係設置於絕緣層之ㄧ側,包覆內電極之另一部分並與孔隙相對,且導電金屬構件更進一步包覆絕緣構件。 公开号:TW201311058A 申请号:TW100130399 申请日:2011-08-24 公开日:2013-03-01 发明作者:Arnold Chang-Mou Yang;Chun-Chih Chang;Chung-Sung Tan 申请人:Nat Univ Tsing Hua; IPC主号:H05H1-00
专利说明:
常壓電漿噴射裝置 本發明有關於一種常壓電漿噴射裝置,特別是有關於一種利用常壓電漿技術將二氧化碳轉化為有機產物之裝置。 目前已知的電漿技術已廣泛應用於各產業,如:石化工業、光電與半導體產業、3C與汽車零組件產業、民生與食品業、生醫材料產業等。但現今發展最為成熟的電漿技術多在真空製程下進行,而有諸多缺點,如抽真空耗費時間、真空設備與維護費昂貴、物品尺寸受限於腔體大小、無法進行線上連續製程等。雖然在一大氣壓下產生電漿是最經濟、最有效率的一種方式,但一般電漿製程為使電漿穩定的產生,系統必須操作在低壓下。因此需要真空腔體和真空幫浦來維持低壓的環境,不但成本提高、單位時間處理量大減,而且設備維護費用也高。比如說,真空幫浦一般怕強酸、強鹼、微粒等,極易受損。因此若能在常壓下產生穩定的電漿就不再需要上述的真空設備,裝置簡化,操作及維修費用大大降低,此外其裝置可不受真空腔體大小的限制,而且製程容易以連續式操作,可處理量也大幅提昇。 由於「常壓電漿技術」無上述限制,設備與操作成本低、操作速度快、可適用於連續式的製程操作,因此容易與其他連續式的設備相結合而大幅提升生產效率,故相較於傳統的低壓電漿,常壓電漿大大拓展了電漿的應用領域,其中尤其是常壓噴射式電漿(Atmospheric Plasma Jet)系統因具有非熱電漿的特性且易整合於製程產線而備受注目。此外,由於噴射式電漿系統具有節省能源、操作維修容易及設備體積小等優勢,因此應用於產業上相當具有潛力。 在此技術的應用上,美國專利案US20060048893係一種非電弧常壓處理反應器,其中包括a. 一晶片平台,其為電性導電;b. 至少一個射頻電極,係置於晶片平台附近,以允許在晶片平台與該至少一射頻電極之間建立一個電場;c. 一射頻電力供應器,係電性接觸該至少一個射頻電極與上述的晶片平台以建立上述的電場,其用以產生上述的非電弧常壓電漿;d. 一製程氣體供應器,其係包含支撐氣體90%-99%之混合物及1%至10%之反應氣體在電場的存在下建立非電弧常壓電漿。美國專利案US3585434係一種常壓電漿噴射產生裝置,包括一由環形電極形成的陰極和圓柱形電極形成的陽極,該圓柱形電極係插入上述環形電極的中央部位,其中一電弧產生於電極之間以加熱氣體至很高的溫度。此外,美國專利案US5961772係一種常壓常壓電漿噴射器,係包含:a. 一電性導電、接地圓柱形之腔體,其非為尖形且具有封閉端、開放端、以及一縱向軸線;b. 一圓柱形電極,係置於圓柱形之腔體內,亦設置一縱向軸,以使得其縱向軸與圓柱形腔體之縱向軸共軸,因而定義為環狀區;c. 一圓柱形絕緣帽,係置於該圓柱形電極之末端,使其最鄰近於該圓柱形腔體之開放端及圓柱形腔體之內部,以防止電弧於圓柱形之電極與圓柱形之腔體之間產生。 然而,目前並未有人利用常溫常壓噴射電漿系統,將二氧化碳轉化為有機產物。 在上述發明背景說明段落中所揭露之內容,僅為增進對本發明之背景技術的瞭解,因此,上述之內容含有不構成阻礙本發明之先前技術,且應為本領域習知技藝者所熟知。 本發明之目的在於提供一種常壓電漿技術,可利用電漿活化二氧化碳及水後,反應生成有機產物,於轉化的過程中,並不需要使用催化劑,亦不需使用經高壓壓縮的二氧化碳氣體,其具備於常溫常壓下進行、反應時間快等優點。 本發明之另一目的是將二氧化碳轉換成有用的有機產物,所得之產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小分子。利用此方式可大量簡化傳統化學製程轉化二氧化碳所需的時間及成本,於工業利用上有益於量產,同時也符合經濟效益。 有鑑於此,本發明提供一種利用常壓電漿技術將二氧化碳轉化為有機物及燃料之裝置,其可在常溫且不需催化劑的環境下,透過振動激發(vibrational excitation)的方式提供能量,將二氧化碳於電漿狀態下,經由反對稱拉伸機制而分解,將二氧化碳轉化為有機產物。 緣是,為達上述目的,提出一種常壓電漿噴射裝置,係用於利用常壓電漿技術將二氧化碳轉化成有機產物,其包含:一內電極,係由一高導電性金屬製成,且內電極具有一絕緣層,此絕緣層包覆內電極之ㄧ部分;一第一導電金屬壁,係以一預定距離環繞內電極,使內電極與第一導電金屬壁之間形成一腔體,且第一導電金屬壁之ㄧ側具有一孔隙,以使一反應物流入腔體;以及一擴散單元,係包含一絕緣構件和一導電金屬構件,絕緣構件係設置於絕緣層之ㄧ側,包覆內電極之另一部分且與孔隙相對,且導電金屬構件更進一步包覆絕緣構件。 較佳地,本發明之常壓電漿噴射裝置可更包含一電漿供應裝置,其與內電極連接。 較佳地,內電極可包含金屬鎢。 較佳地,本發明之常壓電漿噴射裝置可更包含一接地電極,係設置於第一導電金屬壁之ㄧ部位。 較佳地,本發明之常壓電漿噴射裝置可更包含一外殼,其係包覆絕緣層,且用以固定及調整內電極之水平位移。 較佳地,反應物可為二氧化碳、水及烷類化合物,烷類化合物可包含甲烷,且二氧化碳及水的體積百分比可為100:1~1:100,水的溫度可為20~100 ℃,且二氧化碳流量可為0.1~100 slm。 較佳地,本發明之常壓電漿噴射裝置可更包含一第二導電金屬壁,其與第一導電金屬壁連結,活動地設置於相對於絕緣層之一端,並且朝向內電極的一軸向延伸而形成一開口,以使有機產物集中釋出,此外,第二導電金屬壁可藉由調整角度來維持有機產物釋放的穩定性。 較佳地,經本發明之常壓電漿噴射裝置反應後,有機產物可為酯類、醚類、酸類、醇類、醛類、酮類、直碳鏈碳氫化合物、環狀碳氫化合物或其組合物。 較佳地,擴散單元於反應物流入該腔體後,可用於降低反應物對內電極的衝擊,以使有機產物以層流(laminar flow)的方式穩定地釋出。 較佳地,本發明之常壓電漿噴射裝置可更包含一電源供應裝置,其與內電極相連結,頻率可為60~9000 Hz。 較佳地,內電極可為一射頻電極,其頻率可為6.78~27 MHz。本發明其它的特徵及優點,將於下述說明書中闡述,且可從說明書中或是經由實施本發明而明顯得知。 以下將參照相關圖式,說明依本發明之常壓電漿噴射裝置之實施例,為使便於理解,下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。 以下將配合圖示詳細敘述例示實施例。然而,這些實施例可以包含於不同的形式中,且不應被解釋為用以限制本發明。這些實施例之提供使得本發明之揭露完整與完全,熟知此技術之人將能經由該些實施例了解本發明之範疇。 請參閱第1圖,其係為本發明之常壓電漿噴射裝置之剖視圖。如第1圖所示,本發明之常壓電漿噴射裝置100可包含:內電極101,其由耐高溫、剛性佳及導電性強的金屬鎢製成,金屬鎢可使內電極101較能抗磨損,內電極101設置於此裝置100之中央位置,且具有一絕緣層102,其包覆內電極101之ㄧ部分;第一導電金屬壁103,係以一預定距離環繞內電極101,使得內電極101與第一導電金屬壁103之間形成腔體,其中第一導電金屬壁103之ㄧ側具有孔隙104,以使反應物流入腔體;第二導電金屬壁105,其與第一導電金屬壁103連結,其可活動地設置於相對於絕緣層102之一端,並且朝向內電極101的軸向延伸而形成一開口,不僅可使有機產物集中釋出,更可藉由材料的更換及角度的調整維持產物釋放的穩定性。 此外,本發明之常壓電漿噴射裝置100可更包含:擴散單元106,其包含絕緣構件1061和導電金屬構件1062。其中,絕緣構件1061設置於絕緣層102之ㄧ側,包覆內電極101之另一部分且與孔隙104相對,且導電金屬構件1062更進一步包覆絕緣構件1061。其中,擴散單元106可在反應物流入腔體後,避免反應物與內電極101產生直接撞擊而穩定地反應,並使產物以層流(laminar flow)的方式,使產物穩定地釋出,且更可藉由避免反應物與內電極101的直接撞擊而增加內電極101放電的穩定性;電漿供應裝置107,其可與內電極101連接;ㄧ接地電極108,係設置於第一導電金屬壁103之ㄧ側;外殼109,係包覆絕緣層102,用以固定及調整內電極101之水平位移,使內電極101位於此裝置100之中央位置;一電源供應裝置110,其與內電極101連接,頻率可為60~9000Hz,其中60Hz為一般交流電之頻率,而當電力或反應物的量較大時可至9000Hz;當頻率較低時,較容易使電漿供應裝置107產生電漿,成本較低,但較不易使反應物解離;當頻率較高時,較不易使電漿供應裝置107產生電漿,成本較高,但較容易使反應物解離。 較佳地,反應物為二氧化碳、水及烷類化合物,烷類化合物可包含甲烷,且二氧化碳及水的體積百分比可為100:1~1:100,較佳為3:1~9:1,更佳為7.2:1。其中,水的溫度為20~100 ℃,較佳為80 ℃,二氧化碳流量為0.1~100 slm,較佳為3 slm。 較佳地,內電極101可為射頻電極,其頻率可為6.78~27 MHz,較佳為13.56 MHz。 二氧化碳及水流入本發明之常壓電漿噴射裝置的分解機制如下: CO2→CO+OH2O→OH+H→O+H+H 活化反應得到有機產物的機制如下: CO2+2H2→CH3OH+1/2O2 由此可知,利用電漿將二氧化碳及水活化後,藉此二氧化碳及水的雙鍵鍵結斷裂,致使產生具反應性分子之碎片,再更進一步調整電漿參數後,可得不同碎裂程度之分子碎片,經過光學放射光譜儀(OES spectrum)分析可逐一得知該些分子碎片(如以下表1以及第2A圖所示)。第2B圖則為內電極101在45-70 W時,該些分子碎片的強度。依照不同分子碎片之重組,可得到的產物除了為醇類之外,可更進一步為酯類、醚類、酸類、醇類、醛類、酮類、直碳鏈碳氫化合物、環狀碳氫化合物或其組合物等。 表1. 反應物雙鍵鍵結斷裂後的分子碎片 請參閱第3圖,其係為本發明之常壓電漿噴射裝置之下視圖。如第3圖所示,本發明之裝置可為一圓筆形結構。然而,本發明實施例並不限於此,本發明之常壓電漿噴射裝置可進一步為平板形結構。 請參閱以下的表2以及第4圖,表2為二氧化碳及水的體積百分比為7.2:1、二氧化碳流量為3 slm、水溫為80 ℃、電漿供應裝置供應電力為50 W的條件下將二氧化碳及水導入本發明之常壓電漿噴射裝置中,經電漿激發後將產物以氣相層析質譜分析儀做分析,結果如第4圖所示。將這些波峰分析後,依滯留時間(retention time)的先後可得知產物為苯(benzene)、烷基-苯(alkyl-benzene)、醚-苯(ether-benzene)及酮-苯(ketone-benzene)、烷烴(alkane)、醚(ether)、酮(ketone)及醛(aldehyde)、醇(alchol)、酚(phenol)、二元醇(diol),結果則如表2所示。 表2. 常壓電漿噴射裝置在50W條件下的產物 請參閱以下的表3以及第5圖,表3為二氧化碳及水的體積百分比為7.2:1、二氧化碳流量為3 slm、水溫為80 ℃、電漿供應裝置供應電力為60 W的條件下將二氧化碳及水導入本發明之常壓電漿噴射裝置中,經電漿激發後將產物以氣相層析質譜分析儀做分析,結果如第5圖所示。將這些波峰分析後,依滯留時間(retention time)的先後可得知產物為苯(benzene)、烷基-苯(alkyl-benzene)、醚-苯(ether-benzene)及酮-苯(ketone-benzene)、烷烴(alkane)、醚(ether)、酮(ketone)及醛(aldehyde)、醇(alchol)、酚(phenol)、二元醇(diol),結果則如表3所示。 表3. 常壓電漿噴射裝置在60W條件下的產物 以上所述僅為舉例性,而非為限制性。任何未脫離本發明之精神與範疇,而對其進行之等效修改或變更,均應包含於後附之申請專利範圍中。 100...常壓電漿噴射裝置 101...內電極 102...絕緣層 103...第一導電金屬壁 104...孔隙 105...第二導電金屬壁 106...擴散單元 1061...絕緣構件 1062...導電金屬構件 107...電漿供應裝置 108...接地電極 109...外殼 110...電源供應裝置 本發明上述和其他的特徵與優點,將利用參考附圖進行示範實施例的詳細敘述,而使本領域一般技術者從中獲得瞭解,其中:第1圖 係為本發明之常壓電漿噴射裝置之剖視圖;第2A圖 係為本發明反應物經常壓電漿噴射裝置活化後,經光學放射光譜儀(OES spectrum)分析後得到的吸收波長與強度的關係圖;第2B圖 係為本發明之常壓電漿噴射裝置的內電極放電量與經活化後分子碎片的強度關係圖;第3圖 係為本發明之常壓電漿噴射裝置之下視圖;第4圖 係為經本發明之常壓電漿噴射裝置以50 W反應後以氣相層析質譜分析儀做分析所得知結果;以及第5圖 係為經本發明之常壓電漿噴射裝置以60 W反應後以氣相層析質譜分析儀做分析所得知結果。 100...常壓電漿噴射裝置 101...內電極 102...絕緣層 103...第一導電金屬層 104...孔隙 105...第二導電金屬層 106...擴散單元 1061...絕緣構件 1062...導電金屬構件 107...電漿供應裝置 108...接地電極 109...外殼 110...電源供應裝置
权利要求:
Claims (16) [1] 一種常壓電漿噴射裝置,係用於利用常壓電漿技術將二氧化碳轉化成一有機產物,其包含:一內電極,係由一高導電性金屬製成,且該內電極具有一絕緣層,該絕緣層係包覆該內電極之ㄧ部分;一第一導電金屬壁,係以一預定距離環繞該內電極,使該內電極與該第一導電金屬壁之間形成一腔體,且該第一導電金屬壁之ㄧ側具有一孔隙,以使一反應物流入該腔體;以及一擴散單元,係包含一絕緣構件和一導電金屬構件,該絕緣構件係設置於該絕緣層之ㄧ側,包覆該內電極之另一部分且與該孔隙相對,且該導電金屬構件更進一步包覆該絕緣構件。 [2] 如申請專利範圍第1項所述之裝置,更包含一電漿供應裝置,其與該內電極連接。 [3] 如申請專利範圍第1項所述之裝置,其中該內電極包含鎢。 [4] 如申請專利範圍第1項所述之裝置,更包含一接地電極,係設置於該第一導電金屬壁之ㄧ部位。 [5] 如申請專利範圍第1項所述之裝置,更包含一外殼,其係包覆該絕緣層,且用以固定及調整該內電極之水平位移。 [6] 如申請專利範圍第1項所述之裝置,其中該反應物為二氧化碳、水及烷類化合物。 [7] 如申請專利範圍第6項所述之裝置,其中該烷類化合物包含甲烷。 [8] 如申請專利範圍第6項所述之裝置,其中二氧化碳及水的體積百分比為100:1~1:100。 [9] 如申請專利範圍第6項所述之裝置,其中水的溫度為20~100 ℃。 [10] 如申請專利範圍第6項所述之裝置,其中二氧化碳流量為0.1~100 slm。 [11] 如申請專利範圍第1項所述之裝置,更包含一第二導電金屬壁,其與該第一導電金屬壁連接,活動地設置於相對於該絕緣層之一端,並且朝向該內電極的一軸向延伸而形成一開口,以使該有機產物集中釋出。 [12] 如申請專利範圍第11項所述之裝置,其中該第二導電金屬壁係藉由調整其角度來維持該有機產物釋放的穩定性。 [13] 如申請專利範圍第1項所述之裝置,其中該有機產物為酯類、醚類、酸類、醇類、醛類、酮類、直碳鏈碳氫化合物、環狀碳氫化合物或其組合物。 [14] 如申請專利範圍第1項所述之裝置,其中該擴散單元於該反應物流入該腔體後,係用於降低該反應物對該內電極的衝擊,以使該有機產物以層流(laminar flow)的方式穩定地釋出。 [15] 如申請專利範圍第1項所述之裝置,更包含一電源供應裝置,其與該內電極連接,頻率為60~9000 Hz。 [16] 如申請專利範圍第1項所述之裝置,其中該內電極為一射頻電極,其頻率為6.78~27 MHz。
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