一种大分子物质降解反应器和降解方法

1.本发明涉及大分子物质设备装置，具体涉及一种大分子物质降解反应器及降解方法。


背景技术：

2.在自然界的污水、土地等环境中，存在着大量的大分子物质(如罗丹明b(rhodamineb)、碱木质素等)，而这些大分子物质大多结构复杂，不易在环境中被降解，因此对环境和人类健康造成不利影响。
3.在现有大分子物质的处理技术中，介质阻挡放电等离子体广泛的应用于大分子物质溶液处理方面，目前介质阻挡放电反应器的主要结构为通过曝气使活性物种随微气泡进入反应溶液，或通过喷淋设计使反应溶液呈水雾状穿过等离子体放电区域，这些设计使活性物种与反应溶液充分接触，有效地提高了活性物种的利用率。
4.但是，如果反应器整体为气液两相反应器，则会存在活性物质传质效率低导致降解效果差的问题、同时能耗也偏高。因此，为了实现产业化放大应用要求，还需要探究其他技术协同等离子体技术来处理大分子物质的方法，来进一步减小能耗、提高效率。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种大分子物质降解反应器和降解方法，能在大分子物质处理过程中，进一步减小能耗、提高效率。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种大分子物质降解反应器，包括：
7.一种大分子物质降解反应器，其特征在于，包括：
8.反应器，具有连通的溶液反应区和等离子体放电区；
9.电极，所述电极位于所述等离子体放电区内，所述电极的正极和负极能产生电场以与放电气体作用产生出活性物种；
10.相转移平台，布置于所述溶液反应区内，所述相转移平台至少部分为能吸附大分子物质溶液中大分子物质的相转移材料制成，并能在持续不断的将大分子物质溶液中的大分子物质吸附在其表面后，将所述大分子物质转移至大分子物质溶液外与所述活性物种反应。
11.进一步地，所述相转移平台为棒体，并横向的、能转动设置在所述溶液反应区内，且所述棒体的部分浸没在大分子物质溶液内。
12.进一步地，所述电极包括多个实心铜棒，每个所述实心铜棒外均套设有绝缘保护套。
13.进一步地，相邻的所述实心铜棒的正级和负级交错设置。
14.进一步地，所述反应器壳体上设置有与所述溶液反应区连通的进液管和出液管。
15.进一步地，所述反应器壳体上设置有与所述等离子体放电区连通的进气管和出气
管。
16.一种处理大分子物质溶液的方法，其特征在于，采用如权利要求1-6所述的大分子物质降解反应器，包括：
17.将一定浓度、ph值的大分子物质溶液放入溶液反应区内，并使大分子物质溶液将相转移平台部分浸没大分子物质溶液内吸附大分子物质溶液中的大分子物质；
18.向反应器壳体内通入放电气体；
19.将电极与高压电源连接，并接地；开启电源，等离子体放电产生活性物种，开始进行大分子物质溶液处理，
20.在大分子物质溶液处理过程中，使相转移平台持续不断的将其吸附的大分子物质转移至大分子物质溶液外与所述活性物种反应；
21.反应完成。
22.进一步地，在反应过程中间隙的旋转相转移平台。
23.进一步地，多个电极之间均匀放电。
24.进一步地，所述放电气体为空气。
25.本发明的有益效果：
26.上述大分子物质降解反应器，使用时，将一定浓度、ph值的大分子物质溶液放入溶液反应区内，待相转移平台吸附大分子物质溶液中大分子物质并将大分子物质富集在其表面并通过相转移平台将大分子物质暴露在大分子物质溶液外，随后通入放电气体，并调整气流量。接着将电极与高压电源连接，将接地；在调整输入电压、调整放电频率后，则可进行放电反应进行大分子物质溶液处理，在放电反应进行大分子物质溶液处理的过程中，需要通过相转移平台，使其不断的将吸附在其表面的大分子物质暴露在大分子物质溶液外与活性物种反应，直至反应完成。
27.采用上述大分子物质降解反应器进行大分子物质处理降解，能够将大分子物质从大分子物质溶液中转移到相转移材料表面，由于相转移材料良好的吸附性能被广泛应用于大分子物质溶液处理中，在反应器中的反应溶液部分实现大分子物质富集，使部分大分子物质在反应器壳体中直接与活性物种接触反应，将更有效的降解目标污染物，因此搭建包裹相转移材料的相转移平台，使相转移技术耦合等离子体处理大分子物质溶液，相转移平台使吸附的大分子物质暴露在气相中，使大分子物质直接与活性物种反应能够充分提高污染物的去除效率。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
29.图1为本发明一实施例提供的一种大分子物质降解反应器的示意图；
30.图2为图1所示的一种大分子物质降解反应器的左侧视图；
31.图3为采用图1所示的大分子物质降解反应器，采用转移材料协同dbd处理罗丹明b溶液过程中溶液浓度随反应时间的变化示意图；
32.图4为采用图1所示的大分子物质降解反应器进行处理时，采用不同相转移材料的吸附效果示意图；
33.图5为采用图1所示的大分子物质降解反应器进行处理时，反应时间对降解效果的影响；
34.图6为采用图1所示的大分子物质降解反应器进行处理时，输入电压对降解效果的影响；
35.图7为采用图1所示的大分子物质降解反应器进行处理时，放电频率对降解效果的影响；
36.图8为采用图1所示的大分子物质降解反应器进行处理时，溶液初始ph值对降解效果的影响；
37.图9为采用图1所示的大分子物质降解反应器进行处理时，空气流量对降解效果的影响；
38.图10为采用图1所示的大分子物质降解反应器进行处理时，罗丹明b溶液初始浓度对降解效果的影响；
39.图11为采用图1所示的大分子物质降解反应器进行处理后，对不同处理时间的罗丹明b溶液随反应时间的紫外-可见吸收光谱。
40.图12为采用图1所示的大分子物质降解反应器进行处理后，通过二氯甲烷萃取三次，旋蒸得到反应残余固体，测定红外光谱图。
41.附图标记：
42.100、反应器壳体；110、溶液反应区；120、等离子体放电区；130、进气管；140、出气管；150、进液管；160、出液管；200、电极；300、相转移平台。
具体实施方式
43.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
44.请参见图1至图2，本发明提供一种大分子物质降解反应器，包括反应器壳体100、电极300和相转移平台300。用于处理大分子物质溶液中大分子物质如罗丹明b、碱木质素等。
45.具体的，反应器壳体100具有连通的溶液反应区110和等离子体放电区120，在具体实施时，可在反应器壳体100的上设置与等离子体放电区120连通的进气管130和出气管140，方便通入放电气体。此外，还可在反应器壳体100上设置与溶液反应区110连通的进液管150和出液管160。使用时，可通过需要从进液管150进入大分子物质溶液，反应完成后，通过出液管160放出大分子物质溶液。
46.使用时，通过进气管130向等离子体放电区通入放电气体，放电气体气流在等离子体放电区120以一定的规律扩散，可影响活性物种在相转移平台300与溶液反应区110域之间扩散。在具体实施时，放电气体可优选为空气。
47.电极200包括布置于所述等离子体放电区120内的正极和负极，所述正极和负极产生电场以与放电气体作用产生出活性物种。使用时，将正极与高压电源，负极可接地，当高压电源接通后，等离子体放电区120内形成等离子体并产生活性物种。活性物种可与大分子物质反应。活性物种为大多为羟基自由基(
·
oh)、臭氧、过氧化氢等活性物质。
48.相转移平台300布置于溶液反应区110，相转移平台300至少部分为能吸附大分子物质溶液中大分子物质的相转移材料制成，并能在持续不断的将大分子物质溶液中的大分子物质吸附在其表面后，将大分子物质转移至大分子物质溶液外与所述活性物种反应。
49.常见的此种相转移材料有棉纤维无纺布(洗脸巾)、棉布、熔喷布(口罩中层)、聚丙烯无纺布(口罩内层)、水刺无纺布(湿纸巾)。这些相转移材料制成结构规则，具有较好的吸附效果。在反应器中的溶液反应区110中反应溶液部分实现染料富集并暴露后，可使部分染料在溶液反应区110中直接与活性物种接触反应，将更有效的降解目标污染物。
50.使用时，将一定浓度、ph值的大分子物质溶液放入溶液反应区110内，待相转移平台300吸附大分子物质并将大分子物质富集在其表面并通过相转移平台300将大分子物质暴露在大分子物质溶液外，随后通过进气管130通入放电气体如空气，并调整气流量。接着将电极200与高压电源连接和接地；在调整输入电压、调整放电频率后，则可进行放电反应进行大分子物质溶液处理，在放电反应进行大分子物质溶液处理的过程中，需要通过相转移平台300，使其不断的将吸附在其表面的大分子物质暴露在大分子物质溶液外，直至反应完成。
51.在本实施例中，相转移平台300为棒体，并横向的、能转动的设置在溶液反应区110内。在使用时，先通过大分子物质溶液，直至相转移平台300的下部分没入大分子物质溶液中，大分子物质溶液的大分子物质则可富集在相转移平台300的下部分，随后，旋转相转移平台300，使富集大分子物质的部分暴露在大分子物质溶液外，而上部分则重新浸泡在大分子物质溶液内进行富集；在反应一定时间后，再次旋转相转移平台300，将新富集的大分子物质重新暴露进行反应，这样周而复始，直至反应全部完成。在具体实施时，可每隔30s旋转一次相转移平台300，每次旋转180
°
，而相转移平台300浸没可为其整体的下部1/2部分。
52.采用此种方式，可是富集和反应同时进行，则可节约大分子物质溶液处理时间。
53.在其他实施方式中，相转移平台300也可为可升降的设置在溶液反应区110内。当需要富集和反应时，通过上升或下降相转移平台300，也可实现大分子物质的转移。
54.在本实施例中，电极200包括多个实心铜棒，每个所述实心铜棒外均套设有绝缘保护套。实心铜棒起到导电作用，绝缘保护套起到绝缘作用，绝缘保护套可为石英管。
55.当高压电源接通后，则可在离子发生区形成活性物种，活性物种则可之间与暴露在溶液反应区110的大分子物质进行反应，实现大分子物质的去除。
56.作为优选实施方式，所述相邻的所述实心铜棒的正级和负级交错设置。这样设计的目的是为了让所有电极间能够均匀放电。如，可将实心铜棒设置为9个，而将编号为1、3、5、7、9号的实心铜棒与高压电源连接，编号为2、4、6、8号实心铜棒接地，布置方式见图。
57.本发明还提供一种大分子物质的降解方法，采用上述大分子物质降解反应器进行大分子物质降解，包括如下步骤：
58.s110、将一定浓度、ph值的大分子物质溶液放入溶液反应区110内，并使大分子物质溶液将相转移平台300部分浸没，相转移平台能300吸附大分子物质溶液中的大分子物质；
59.s120、向反应器壳体100内通入放电气体产生活性物种，并调整空气流量；
60.s130、将电极与高压电源连接，并接地；开启电源，等离子体放电产生活性物种，开始进行大分子物质溶液处理；
61.s140、在大分子物质溶液处理过程中，使相转移平台300持续不断的将其吸附的大分子物质转移至大分子物质溶液外与活性物种反应；
62.s150、反应完成。
63.在具体实施时，放电气体可优选为空气。
64.此外，可间隙的转动相转移平台300，如可设每30秒转动一次，每次转动180
°
。使相转移平台300持续的将其吸附的大分子物质转移至大分子物质溶液外与活性物种反应；当然，也可采用匀速的方式转动相转移平台300。同时，还可使多个电极之间均匀放电。从而提高反应效果。
65.以下，采用相同的反应器，进行大分子物质(此处以罗丹明b溶液为例)处理，通过多个实施方式，可得出在采用不同材料的相转移平台300、不同反应时间、不同输入电压、不同放电频率、不同溶液初始ph值、不同空气流量、不同溶液初始浓度等情况下对降解效果的影响，从而选择最佳的处理状态，其中反应器为：
66.反应器采用两个圆筒镶嵌而成，两个圆筒的直径和长度分别为65mm
×
180mm、65mm
×
230mm。等离子体放电区域圆筒两面有9个对称的、直径为5mm的圆孔(三行三列、孔间距2mm)，用于嵌入石英管，进气管和出气管的直径为5mm和10mm；石英管壁厚的内径3.5mm、外径4.5mm、长度200mm。电极是由多个实心铜棒组成，每个实心铜棒直径3.5mm、长度250mm，有效放电电极长度为170mm。
67.实施例一：不同材料的相转移平台300对降解效果的影响：
68.选用生活中常见的棉纤维无纺布(洗脸巾)、棉布、熔喷布(口罩中层)、聚丙烯无纺布(口罩内层)、水刺无纺布(湿纸巾)五种材料作为相转移材料，这几种材料都具备容易使水溶性染料快速富集和洗脱的特点。反应开始前向反应容器中放置200mg/l100ml罗丹明b溶液，在溶液反应区110内注入大分子物质溶液时相转移平台300下半部分浸泡在溶液中，质量为3g的相转移材料将部分大分子物质吸附在表面，每隔30s旋转一次相转移平台300，被富集的罗丹明b在溶液反应区110内与等离子活性物种反应，总反应时间为60min，每隔10min取5.00ml溶液测定吸光度，根据溶液剩余浓度筛选出相转移材料，实验结果如图3所示。从图3可以看出，棉纤维无纺布协同处理后，剩余溶液浓度最低。
69.同时，对不同相转移材料的吸附性能进行探究，在分别称取1g聚丙烯无纺布、棉纤维无纺布、棉布、水刺无纺布和熔喷布放置于锥形瓶中对25ml200mg/l的罗丹明b溶液进行吸附，恒温摇床转速为180r/min，在室温25℃的条件下，振荡吸附2h，实验结果如图4所示，棉纤维无纺布对罗丹明b的吸附量为1.53mg/g。
70.因此，可得出，最佳的相转移材料为棉纤维无纺布。
71.实施例二，反应时间对降解效果的影响：
72.在相转移材料协同，使用200mg/l、100ml罗丹明b溶液，溶液ph为3.80，等离子体电源输入电压47v，放电频率为8.5khz条件下。研究了反应时间分别为10min、20min、30min、40min、50min和60min的降解效果，实验结果如图5所示。处理20min后降解率为91.4％，处理60min后可达99.7％，溶液颜色逐渐变浅。
73.实施例三，输入电压对降解效果的影响：
74.为了考察输入电压对罗丹明b的降解效果的影响，在相转移材料协同，200mg/l罗丹明b用量为100ml，溶液ph为3.80，放电频率为8.5khz，反应时间为20min的条件下。研究了
输入电压分别为30v、35v、40v、45v、50v和60v的降解效果，实验结果如图6所示。在输入电压为35v时降解率可以达到94.4％。
75.实施例四，放电频率对降解效果的影响：
76.为了考察放电频率对罗丹明b的降解效果的影响，在相转移材料协同，200mg/l罗丹明b用量为100ml，溶液ph为3.80，等离子体电源输入电压为35v，反应时间为20min的条件下。研究了放电频率分别为8.0khz，8.2khz、8.4khz、8.6khz、8.8khz和9.0khz的降解效果，实验结果如图7所示。在放电频率为8.2khz时降解率可达95.3％。
77.实施例五，溶液初始ph值对降解效果的影响：
78.为了考察溶液初始ph值对罗丹明b的降解效果的影响，在相转移材料协同，200mg/l罗丹明b用量为100ml，等离子体电源输入电压为35v，放电频率为8.2khz，反应时间为20min的条件下。研究了罗丹明b溶液ph值分别为1.00、3.00、5.00、7.00、9.00、11.00和13.00的降解效果，实验结果如图8所示。在罗丹明b初始ph为5.00时，相转移技术协同介质阻挡等离子体处理罗丹明b溶液的降解率为95.5％。
79.实施例六，空气流量对降解效果的影响：
80.为了考察空气流量对罗丹明b的降解效果的影响，在相转移材料协同，200mg/l罗丹明b用量为100ml，等离子体电源输入电压为35v，放电频率为8.2khz，溶液ph为5.00，反应时间为20min的条件下。研究了空气流量为80ml/min、100ml/min、120ml/min、140ml/min、160ml/min、180ml/min和200ml/min的降解效果，实验结果如图9所示。通入空气后降解效果稍有变化。在该实验体系中，气流进入反应器后，以一定的规律扩散，影响了活性物种向相转移平台300和溶液反应区110域的扩散。
81.实施例七，罗丹明b溶液初始浓度对降解效果的影响：
82.为了考察溶液初始浓度对罗丹明b的降解效果的影响，在相转移材料协同，200mg/l罗丹明b用量为100ml，等离子体电源输入电压为35v，放电频率为8.2khz，溶液ph为5.00，反应时间为20min条件下，研究了溶液初始浓度为100mg/l、200mg/l、300mg/l、400mg/l和500mg/l的降解效果，实验结果如图10所示。在溶液初始浓度为200mg/l时，对反应器腔体内活性物种的利用率最高，降解率为95.5％。
83.为了分析相转移技术协同介质阻挡放电等离子体降解罗丹明b的途径，对反应时间分别为0min、10min、20min、30min、40min、50min和60min的罗丹明b溶液进行紫外全扫描分析(如图11)。罗丹明b溶液554nm处的最大特征吸收峰明显降低，200nm处的产物峰随反应时间明显增大。
84.此外，在反应溶液反应20min和60min后，通过二氯甲烷萃取三次，旋蒸得到反应残余固体，测定红外光谱图(如图12)。764cm-1处n-h的弯曲振动和1281cm-1的c-n弯曲振动、1089cm-1和1028cm-1处苯环的c＝c变形振动消失，1385cm-1处出现no
3-，证明了罗丹明b的发色基团苯胺基和部分苯环结构发生了变化，发色基团被打散，结构变化，说明了相转移技术协同等离子体能够降解罗丹明b。
85.由此可见、采用棉纤维无纺布协同处理后作为相转移平台材料，采用降解时间为20min、输入电压35v、放电频率8.2khz、ph为5.00、初始浓度为200mg/l的罗丹明b时，降解效果最好。
86.采用上述相转移技术协同介质阻挡放电等离子体进行大分子物质降解，能够将大
分子物质溶液中的大分子物质转移到相转移材料表面，由于相转移材料良好的吸附性，在反应器中的反应溶液部分实现大分子物质富集，使部分大分子物质在反应器壳体100中直接与活性物种接触反应，将更有效的降解目标污染物，从而充分提高污染物的去除效率。
87.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

技术特征：
1.一种大分子物质降解反应器，其特征在于，包括：反应器，具有连通的溶液反应区和等离子体放电区，所述溶液反应区溶液存放大分子物质；电极，所述电极位于所述等离子体放电区内，所述电极的正极和负极能产生电场以与放电气体作用产生出活性物种；及相转移平台，布置于所述溶液反应区内，所述相转移平台至少部分为能吸附大分子物质溶液中大分子物质的相转移材料制成，并能持续不断的将大分子物质溶液中的大分子物质吸附在其表面后，将所述大分子物质转移至大分子物质溶液外与所述活性物种反应。2.根据权利要求1所述的大分子物质降解反应器，其特征在于，所述相转移平台为棒体，并横向的、能转动设置在所述溶液反应区内，且所述相转移平台的部分浸没在大分子物质溶液内。3.根据权利要求1所述的大分子物质降解反应器，其特征在于，所述电极包括多个实心铜棒，每个所述实心铜棒外均套设有绝缘保护套。4.根据权利要求3所述的大分子物质降解反应器，其特征在于，相邻的所述实心铜棒的正级和负级交错设置。5.根据权利要求1所述的大分子物质降解反应器，其特征在于，所述反应器壳体上设置有与所述溶液反应区连通的进液管和出液管。6.根据权利要求1所述的大分子物质降解反应器，其特征在于，所述反应器壳体上设置有与所述等离子体放电区连通的进气管和出气管。7.一种大分子物质的降解方法，其特征在于，采用如权利要求1-6所述的大分子物质降解反应器，包括：将一定浓度、ph值的大分子物质溶液放入溶液反应区内，并使大分子物质溶液将相转移平台部分浸没，相转移平台能吸附大分子物质溶液中的大分子物质；向反应器壳体内通入放电气体；将电极与高压电源连接，并接地；开启电源，等离子体放电产生活性物种，开始进行大分子物质溶液处理，在大分子物质溶液处理过程中，使相转移平台持续不断的将其吸附的大分子物质转移至大分子物质溶液外与所述活性物种反应；反应完成。8.根据权利要求7所述的大分子物质的降解方法，其特征在于，在反应过程中间隙的旋转相转移平台。9.根据权利要求7所述的大分子物质的降解方法，其特征在于，多个电极之间均匀放电。10.根据权利要求7所述的大分子物质的降解方法，其特征在于，所述放电气体为空气。

技术总结
本发明公开了一种大分子物质降解反应器,包括反应器壳体、电极、相转移平台：反应器具有连通的溶液反应区和等离子体放电区，所述电极位于所述等离子体放电区内，所述电极的正极和负极能产生电场以与气体作用产生出活性物种；布置于所述溶液反应区内，所述相转移平台至少部分为能吸附大分子物质溶液中的大分子物质的相转移材料制成，并能在持续不断的将大分子物质溶液中的大分子物质吸附在其表面后，将大分子物质转移至溶液外与所述活性物种反应。大分子物质降解采用此种反应器，通过相转移技术，能在大分子物质溶液处理过程中，进一步减小能耗、提高效率。提高效率。提高效率。


技术研发人员：苏小东 黄瑶瑶 高渝萌 张燕 张珊
受保护的技术使用者：重庆科技学院
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/8/28