[发明专利]介质阻挡放电固定氮气制硝酸

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型介质阻挡放电等离子体装置，具体涉及一种气相交流高压放电将氮气电离形成氮等离子体，再与水反应转化成硝酸的制备方法。

背景技术

将空气中游离态的氮气转化为可被动植物利用的含氮化合物的过程称为固氮。固氮可分为天然固氮和人工固氮。天然固氮包括雷电固氮、固氮菌生物固氮两种主要形式。1901年法国化学家勒夏特例最先研究氢气和氮气在高压下直接合成氨的反应，开创了高压合成氨的先例。后来德国的物理学家、化工专家哈伯与他的学生研究出一种高温高压催化法合成氨。1985年全国污染源调查数据，大型合成氨厂吨氨产品平均废水排放量为11.1吨，中型厂为217.24吨，小型厂为249.4吨。废水种类复杂，对环境污染严重。氨生产过程还会产生硫化物、一氧化碳、二氧化碳及各种含尘气体。此外，裸露的高温设备及管道对周围环境造成的热辐射污染也尤为严重。随着世界人口的增长和农业的发展，人类对氮肥的需要量愈来愈大，而工业合成氨需在高温高压条件下进行，造成严重的能源浪费。此外，关于生物固氮的研究虽然有了一定的成果，但大多数研究尚处于理论阶段，未能应用于实际农业生产中。大多数农作物对氮素的需求仍然需要氮肥来解决，一定程度上还依赖于化学工业。因此常温常压条件下研究氮气的固定技术具有非常重要的意义。

等离子体被称作除固态、液态和气态之外的第4种物质存在形态，是由电子、离子、自由基和中性粒子组成的导电性流体，整体保持电中性。等离子体具有特殊的化学反应活性，表现出与其他物质状态不同的特异性能，被称之为物质的第四态。产生等离子体有多种方式，常见的有大气压下的介质阻挡放电和辉光放电、电晕放电、直流辉光放电、强电离气体放电、热致电离放电等。等离子体合成氨这一技术很早就有过报道。1986年日本Saitama大学的KazuoSugiyama等人介绍了常温下辉光放电使用MgO、CaO、A1₂O₃、WO₃、NaCl、SiO₂-A1₂O₃等催化剂合成氨的研究，但文中并没有具体阐述合成氨的浓度大小。日本东京Aoyama Gakuin 大学的Shigeyuki Thnaka等人介绍了利用射频和微波等离子体，将N₂、H₂解离、激发，在铁丝线圈的催化作用下结合生成NH₃的研究。然而利用一定技术直接合成硝酸的报道鲜而有之。利用放电等离子体技术实现水中固氮制硝酸，此过程利用以空气和水作为主要基本原料，反应过程无需辅以高温、高压催化剂，是一种具有潜力的绿色固氮新技术。目前，关于此技术的系统研究较少，固氮转化效率有待于进一步提高。

本课题组前期研究中，放电21分钟，硝酸的浓度分别为1.36和1.53 mmol L-1，单位输入能量下硝酸的产率为1.99×10-9mol J-1和2.24×10-9mol J-1。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种工艺简单、可将空气中的氮在水中固定为硝酸的装置，以方便氮的利用。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

介质阻挡放电固定氮气制硝酸，包括齿形不锈钢柱，所述齿形不锈钢柱外套有一绝缘管，所述齿形不锈钢柱与所述绝缘管之间的间隙为3-30mm，所述绝缘管外面缠绕的一层不锈钢丝网,所述齿形不锈钢柱与外壳相连接地，所述不锈钢丝网与高压接线柱相连，电源通过所述高压接线柱向反应器输入高压交流电。

优选的，所述绝缘管为石英玻璃管。

优选的，所述绝缘管为刚玉管。

优选的，所述绝缘管为陶瓷管。

介质阻挡放电固定氮气制硝酸，气体过反应器进气口进入，经交流高压放电电离产生氮等离子体，从底部曝气孔进入二次反应器与水反应，获得硝酸溶液

进一步的，所述放电电源输入反应器的交流电压峰值大于10kV，频率高于9kHz，交流输入能量高于110W。

进一步的，空气电离和液相固氮反应分别在两个区域内完成，所述气体为空气。

本发明的有益效果是:

本发明通过在介质阻挡反应器内曝以空气，促使氮气在放电过程中电离形成氮等离子体，诱发液相等离子体化学反应，生成硝酸，实现了氮到硝酸的一步转化，解决了现有技术中先合成氨，再转化为硝酸利用氮源的问题，工艺过程简单；

由于本发明通过一步获得硝酸，无需催化剂、高温、高压等辅助手段；以空气和水为原料，以电能为能源，避免一次能源的使用；