等离子体技术地研究.docVIP

PAGE PAGE 7 等离子体技术的研究 1 技术现状 目前，各种有毒有害气体的排放已经造成严重的环境污染。低浓度有害气体广泛地产生于市政工程，能源转化，交通运输和工业生产等过程中。一些国际条例和国内法规提出了对这些有害气体排放的限制或标准。传统的净化方法如液体吸收法、活性炭吸附法、焚烧和氧化等已很难达到较高的排放标准。在传统的空气净化方法不能适应需要时，研究开发处理彻底、无二次污染的新型空气净化技术已成为近年环保领域里的一个热点。低温等离子技术就是近些年涌现出来的新型处理技术。 1.1低温等离子技术 1.1.1等离子的产生、分类及其特点 在绝对温度不为零的任何气体中，总存在一定成分的原子电离。由宇宙射线或热灯丝产生的一定数量的初级电子在外部激励源的电场中获能，当其能量高于气体原子的电离能时，电子与原子间的非弹性碰撞将导致气体电离。当气体的电离率足够大时，中性粒子的物理性质开始退居次要地位，整个系统受带电粒子支配，此时电离的气体即为等离子体。按热力学状态不同和中性气体温度的高低，等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体，而低温等离子体可分为热平衡等离子体、非平衡态等离子体和燃烧等离子体。热平衡等离子体为局热域力学平衡态（LTE）等离子体，其特点是重粒子（原子、分子、离子）温度接近于电子温度；非平衡态等离子体特点是电子温度远远高于重粒子温度，通常采用辉光放电、电晕放电、介电阻挡放电、微波放电和射频放电产生；燃烧等离子体通过燃烧形成，其特点是电离度较低。等离子体的应用技术因其特点而异。平衡态等离子体技术利用等离子体的物理特性；而非平衡态低温等离子体技术则利用其中的高能电子参与形成的物理、化学反应过程。通过这些物理化学过程可以完成许多普通气体、高温等离子体以及TLE等离子体难以解决的问题。 1.1.2低温等离子体空气净化原理 等离子体中的化学反应主要是通过气体放电产生的快电子激发来完成的。这些快电子与气体分子碰撞，使气体分子激发到更高的能级。被激发到高能级的分子，由于其内能的增加，既可发生键的断裂也可以与其它物种发生化学反应；而由于碰撞失去部分能量的电子在电场的作用下仍可得到补偿。典型的反应类型如下： 电子/分子反应 激发 e + A2 ? A2+ + 2e 离解 e + A2 ? 2A + e 附着 e + A2 ? A2－ 离解附着 e + A2 ? A－ + A 电离 e + A2 ? A2+ + 2e 复合 e + A2－ ? A2 离脱 e + A2－ ? A2 + 2e 分子/原子反应 潘宁离解 M* + A2 ? 2A + M 潘宁电离 M* + A2 ? A2+ + M + e 电荷转移 A+ + B ? B+ + A 离子复合 A+ + B－ ? AB 中性复合 A + B + M ? AB + M 分解反应 电子的 e + AB ? A + B + e 原子的 A* + B2 ? AB + B 合成反应 电子的 e + A ? A* + e A* + B ? AB 原子的 A + B ? AB 可以看出，低温非平衡态等离子体是使分子活化的有效方法，它能使几乎所有的分子激发、电离和自由基化，产生大量的活性基团，如O2－、O、OH、O3和高能量的自由电子。这些活性物种使得在通常条件下难以实现的反应可以很容易地在等离子体系统中完成。尤其对空气中污染物的脱除，可以在很短的时间内使其分解甚至完全分解。研究表明，等离子体分解空气污染物可通过两种途径完成：（1）在产生等离子体的过程中产生的瞬间高能量，打开某些有害分子的化学键，使其分解成单质原子或无害分子。（2）等离子体中包含了大量的高能电子、离子、激发态粒子（其能量范围如表1）和具有强氧化活性的自由基，这些活性粒子的平均能量高于气体分子的键能，它们和有害气体分子发生频繁的碰撞，打开气体分子的化学键，同时产生的大量?OH、HO2? 、O?等自由基和氧化性极强的O3跟有害气体分子发生化学反应生成无害产物。 表1低温等离子体中各种粒子能量和几种气体分子键能 活性粒子 能量(eV) 气体分子 键能(eV) 电子 0~20 CO 11.12 离子 0~2 CO2 16.56 激发态粒子 0~20 Nox 6.56~7.17 光子 3~40 SO2 5.43 H2S 3.80 低温等离子体空气净化的作用机理如下： eH2OeO2 ? e H2O e eN2 ? N2*(A) ? ? H + ?OH e eNOx ? N2+O2 e SOx ? S+O O2(+M) + O? O3(+M) ? OH+H2S ? HS? +H2O O+H2S? HS ?+ ?OH HS ?+ ?OH?S＋H2O ?OH+NH3 ?