专利名称：常压等离子体喷射装置的制作方法
技术领域：
本发明揭露了一种常压等离子体喷射装置，特别是揭露了一种利用常压等离子体技术将二氧化碳转化为有机产物的装置。
背景技术：
目前已知的等离子体技术已广泛应用于各产业，如石化工业、光电与半导体产业、3C与汽车零组件产业、民生与食品业、生医材料产业等。但现今发展最为成熟的等离子体技术多在真空制程下进行，而有诸多缺点，如抽真空耗费时间、真空设备与维护费昂贵、物品尺寸受限于腔体大小、无法进行在线连续制程等。虽然在一个大气压下产生等离子体是最经济、最有效率的一种方式，但一般等离子体制程为使等离子体稳定的产生，系统必须 操作在低压下。因此需要真空腔体和真空泵来维持低压的环境，不但成本提高、单位时间处理量大减，而且设备维护费用也高。比如说，真空泵一般怕强酸、强碱、微粒等，极易受损。因此若能在常压下产生稳定的等离子体就不再需要上述的真空设备，装置简化，操作及维修费用大大降低，此外其装置可不受真空腔体大小的限制，而且制程容易以连续式操作，可处理量也大幅提升。由于“常压等离子体技术”无上述限制，设备与操作成本低、操作速度快、可适用于连续式的制程操作，因此容易与其它连续式的设备相结合而大幅提升生产效率，故相较于传统的低压等离子体，常压等离子体大大拓展了等离子体的应用领域，其中尤其是常压喷射式等离子体(Atmospheric Plasma Jet)系统因具有非热等离子体的特性且易整合于制程产线而备受注目。此外，由于喷射式等离子体系统具有节省能源、操作维修容易及设备体积小等优势，因此应用于产业上相当具有潜力。在此技术的应用上，第US20060048893号美国专利是一种非电弧常压处理反应器，其中包括a.芯片平台，其为电性导电；b.至少一个射频电极，置于芯片平台附近，以允许在芯片平台与至少一个射频电极之间建立一个电场；c.射频电力供应器，电性接触至少一个射频电极与上述的芯片平台以建立上述的电场，其用以产生上述的非电弧常压等离子体；d.制程气体供应器，其包含支撑气体90% -99%的混合物及1%至10%的反应气体在电场的存在下建立非电弧常压等离子体。第US3585434号美国专利是一种常压等离子体喷射产生装置，包括由环形电极形成的阴极和圆柱形电极形成的阳极，所述圆柱形电极插入上述环形电极的中央部位，其中电弧产生于电极之间以加热气体至很高的温度。此外，第US5961772号美国专利是一种常压等离子体喷射器，包括a.电性导电、接地圆柱形的腔体，其非为尖形且具有封闭端、开放端、以及纵向轴线；b.圆柱形电极，置于圆柱形的腔体内，亦设置纵向轴，以使得其纵向轴与圆柱形腔体的纵向轴共轴，因而定义为环状区；c.圆柱形绝缘帽，置于圆柱形电极的末端，使其最邻近于圆柱形腔体的开放端及圆柱形腔体的内部，以防止电弧在圆柱形的电极与圆柱形的腔体之间产生。然而，目前并未有人利用常温常压喷射等离子体系统，将二氧化碳转化为有机产物。
在上述发明背景说明段落中所揭露的内容，仅为增进对本发明的背景技术的了解，因此，上述的内容含有不构成阻碍本发明的先前技术，且应为本领域普通技术人员所熟知。
发明内容
本发明的目的在于提供一种常压等离子体技术，可利用等离子体活化二氧化碳及水后，反应生成有机产物，在转化的过程中，并不需要使用催化剂，也不需使用经高压压缩的二氧化碳气体，其具备在常温常压下进行、反应时间快等优点。本发明的另一目的是将二氧化碳转换成有用的有机产物，所得的产物不仅可作为石化塑料的高分子材料，亦可作为燃料的有机小分子。利用此方式可大量简化传统化学制程转化二氧化碳所需的时间及成本，在工业利用上有益于量产，同时也符合经济效益。
有鉴于此，本发明提供一种利用常压等离子体技术将二氧化碳转化为有机物及燃料的装置，其可在常温且不需催化剂的环境下，通过振动激发(vibrational excitation)的方式提供能量，将二氧化碳在等离子体状态下，经由反对称拉伸机制而分解，将二氧化碳转化为有机产物。因此，为达上述目的，提出一种常压等离子体喷射装置，用于利用常压等离子体技术将二氧化碳转化成有机产物，其包括内电极，由高导电性金属制成，且内电极具有绝缘层，此绝缘层包覆内电极的一部分；第一导电金属壁，以预定距离环绕内电极，使内电极与第一导电金属壁之间形成腔体，且第一导电金属壁的一侧具有孔隙，以使反应物流入腔体；以及扩散单元，包括绝缘构件和导电金属构件，绝缘构件设置于绝缘层的一侧，包覆内电极的另一部分且与孔隙相对，且导电金属构件还进一步包覆绝缘构件。 优选地，本发明的常压等离子体喷射装置还可包括等离子体供应装置，其与内电极连接。优选地，内电极可包含金属钨。优选地，本发明的常压等离子体喷射装置还可包括接地电极，设置于第一导电金属壁的一部分处。优选地，本发明的常压等离子体喷射装置还可包括外壳，其包覆绝缘层，且用以固定及调整内电极的水平位移。优选地，反应物可为二氧化碳、水及烷类化合物，烷类化合物可包括甲烷，且二氧化碳及水的体积百分比可为100 : I I : 100，水的温度可为20 10(U.,且二氧化碳流量可为O. I IOOslmo优选地，本发明的常压等离子体喷射装置还可包括第二导电金属壁，其与第一导电金属壁连结，活动地设置在相对于绝缘层的一端，并且朝向内电极的轴向延伸而形成开口，以使有机产物集中释出，此外，第二导电金属壁可通过调整角度来维持有机产物释放的稳定性。优选地，经本发明的常压等离子体喷射装置反应后，有机产物可为酯类、醚类、酸类、醇类、醛类、酮类、直碳链碳氢化合物、环状碳氢化合物或其组合物。优选地，扩散单元在反应物流入腔体后，可用于降低反应物对内电极的冲击，以使有机产物以层流(laminar flow)的方式稳定地释出。
优选地，本发明的常压等离子体喷射装置还可包括电源供应装置，其与内电极相连结，频率可为60 9000Hz。优选地，内电极可为射频电极，其频率可为6. 78 27MHz。本发明其它的特征及优点，将在下述说明书中阐述，且可从说明书中或是经由实施本发明而明显得知。
本发明上述和其它的特征与优点，将利用参考附图进行示例实施例的详细叙述，而使本领域普通技术人员从中获得了解，其中图I是本发明的常压等离子体喷射装置的剖视图；·
图2A是本发明反应物经常压等离子体喷射装置活化后，经光学放射光谱仪(0ESspectrum)分析后得到的吸收波长与强度的关系图；图2B是本发明的常压等离子体喷射装置的内电极放电量与经活化后分子碎片的强度关系图；图3是本发明的常压等离子体喷射装置的下视图；图4是为经本发明的常压等离子体喷射装置以50W反应后以气相层析质谱分析仪做分析所得知结果；以及图5是经本发明的常压等离子体喷射装置以60W反应后以气相层析质谱分析仪做分析所得知结果。主要组件符号说明100 :常压等离子体喷射装置101:内电极102 :绝缘层103:第一导电金属壁104 :孔隙105:第二导电金属壁106 :扩散单元1061 :绝缘构件1062:导电金属构件107 :等离子体供应装置108 :接地电极109 :外壳110:电源供应装置
具体实施例方式以下将参照相关附图，说明根据本发明的常压等离子体喷射装置的实施例，为了便于理解，下述实施例中的相同组件以相同的符号标示来说明。以下将结合附图详细叙述例示实施例。然而，这些实施例可以包括于不同的形式中，且不应被解释为用以限制本发明。提供这些实施例使得本发明的公开完整与完全，熟知此技术之人将能通过这些实施例了解本发明的范围。请参照图1，图I是本发明的常压等离子体喷射装置的剖视图。如图I所示，本发明的常压等离子体喷射装置100可包括内电极101，其由耐高温、刚性佳及导电性强的金属钨制成，金属钨可使内电极101较能抗磨损，内电极101设置在此装置100的中央位置，且具有绝缘层102，其包覆内电极101的一部分；第一导电金属壁103，以预定距离环绕内电极101,使得内电极101与第一导电金属壁103之间形成腔体,其中第一导电金属壁103的一侧具有孔隙104，以使反应物流入腔体；第二导电金属壁105，其与第一导电金属壁103连结，其可活动地设置在相对于绝缘层102的一端，并且朝向内电极101的轴向延伸而形成开口，不仅可使有机产物集中释出，更可通过材料的更换及角度的调整维持产物释放的稳定性。此外，本发明的常压等离子体喷射装置100还可包括扩散单元106，其包括绝缘构件1061和导电金属构件1062。其中，绝缘构件1061设置在绝缘层102的一侧，包覆内电 极101的另一部分且与孔隙104相对，且导电金属构件1062还进一步包覆绝缘构件1061。其中，扩散单元106可在反应物流入腔体后，避免反应物与内电极101产生直接撞击而稳定地反应，并使产物以层流(laminar flow)的方式，使产物稳定地释出，且还可通过避免反应物与内电极101的直接撞击而增加内电极101放电的稳定性；等离子体供应装置107，其可与内电极101连接；接地电极108，设置在第一导电金属壁103的一部分处；外壳109，包覆绝缘层102，用以固定及调整内电极101的水平位移，使内电极101位于此装置100的中央位置；电源供应装置110，其与内电极101连接，频率可为60 9000Hz，其中60Hz为一般交流电的频率，而当电力或反应物的量较大时可至9000Hz ;当频率较低时，较容易使等离子体供应装置107产生等离子体，成本较低，但较不易使反应物解离；当频率较高时，较不易使等离子体供应装置107产生等离子体，成本较高，但较容易使反应物解离。优选地，反应物为二氧化碳、水及烷类化合物，烷类化合物可包括甲烷，且二氧化碳及水的体积百分比可为100 : I I : 100，较佳为3 : I 9 : 1，更佳为7. 2 I。其中，水的温度为20 100°C，较佳为80°C，二氧化碳流量为O. I IOOslm，较佳为3slm。优选地，内电极101可为射频电极，其频率可为6. 78 27MHz，较佳为13. 56MHz。二氧化碳及水流入本发明的常压等离子体喷射装置100的分解机制如下CO2 — C0+0 H2O — 0Η+Η — 0+Η+Η活化反应得到有机产物的机制如下C02+2H2 — CH3OH+1/202由此可知，利用等离子体将二氧化碳及水活化后，藉此二氧化碳及水的双键键结断裂，致使产生具有反应性分子的碎片，再更进一步调整等离子体参数后，可得不同碎裂程度的分子碎片，经过光学放射光谱仪(OES spectrum)分析可逐一得知这些分子碎片(如以下表I以及图2A所示)。图2B则为内电极101在45-70W时，这些分子碎片的强度。依照不同分子碎片的重组，可得到的产物除了为醇类之外，可更进一步为酯类、醚类、酸类、醇类、醛类、酮类、直碳链碳氢化合物、环状碳氢化合物或其组合物等。表I.反应物双键键结断裂后的分子碎片
权利要求
1.一种常压等离子体喷射装置，用于利用常压等离子体技术将二氧化碳转化成有机产物，其特征在于，它包括 内电极，由高导电性金属制成，且所述内电极具有绝缘层，所述绝缘层包覆所述内电极的一部分； 第一导电金属壁，以预定距离环绕所述内电极，使所述内电极与所述第一导电金属壁之间形成腔体，且所述第一导电金属壁的一侧具有孔隙，以使反应物流入所述腔体；以及 扩散单元，包括绝缘构件和导电金属构件，所述绝缘构件设置在所述绝缘层的一侧，包覆所述内电极的另一部分且与所述孔隙相对，且所述导电金属构件还进一步包覆所述绝缘构件。
2.如权利要求I所述的常压等离子体喷射装置，其特征在于，还包括等离子体供应装置，其与所述内电极连接。
3.如权利要求I所述的常压等离子体喷射装置，其特征在于，所述内电极包含钨。
4.如权利要求I所述的常压等离子体喷射装置，其特征在于，还包括接地电极，设置在所述第一导电金属壁的一部分处。
5.如权利要求I所述的常压等离子体喷射装置，其特征在于，还包括外壳，其包覆所述绝缘层，且用以固定及调整所述内电极的水平位移。
6.如权利要求I所述的常压等离子体喷射装置，其特征在于，所述反应物为二氧化碳、水及烷类化合物。
7.如权利要求6所述的常压等离子体喷射装置，其特征在于，所述烷类化合物包括甲烧。
8.如权利要求6所述的常压等离子体喷射装置，其特征在于，二氧化碳及水的体积百分比为100 : I I : 100。
9.如权利要求6所述的常压等离子体喷射装置，其特征在于，水的温度为20 100°C。
10.如权利要求6所述的常压等离子体喷射装置，其特征在于，二氧化碳流量为O.I lOOslm。
11.如权利要求I所述的常压等离子体喷射装置，其特征在于，还包括第二导电金属壁，其与所述第一导电金属壁连接，活动地设置在相对于所述绝缘层的一端，并且朝向所述内电极的轴向延伸而形成开口，以使所述有机产物集中释出。
12.如权利要求11所述的常压等离子体喷射装置，其特征在于，所述第二导电金属壁通过调整其角度来维持所述有机产物释放的稳定性。
13.如权利要求I所述的常压等离子体喷射装置，其特征在于，所述有机产物为酯类、醚类、酸类、醇类、醛类、酮类、直碳链碳氢化合物、环状碳氢化合物或其组合物。
14.如权利要求I所述的常压等离子体喷射装置，其特征在于，所述扩散单元于所述反应物流入所述腔体后，用于降低所述反应物对所述内电极的冲击，以使所述有机产物以层流的方式稳定地释出。
15.如权利要求I所述的常压等离子体喷射装置，其特征在于，还包括电源供应装置，其与所述内电极连接，频率为60 9000Hz。
16.如权利要求I所述的常压等离子体喷射装置，其特征在于，所述内电极为射频电极，其频率为6. 78 27MHz ο
全文摘要
本发明揭露了一种常压等离子体喷射(APPJ)装置，用于利用常压等离子体技术将二氧化碳转化为有机产物，其包括内电极，由高导电性金属制成，且内电极具有绝缘层，绝缘层包覆内电极的一部分；第一导电金属壁，以预定距离环绕内电极，使内电极与第一导电金属壁之间形成腔体，且第一导电金属壁的一侧具有孔隙，以使反应物流入腔体；以及扩散单元，包括绝缘构件和导电金属构件，其中，绝缘构件设置于绝缘层的一侧，包覆内电极的另一部分并与孔隙相对，且导电金属构件还进一步包覆绝缘构件。
文档编号H05H1/30GK102958265SQ20111030488
公开日2013年3月6日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年8月24日
发明者杨长谋, 张濬智, 谈骏嵩 申请人:杨长谋