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1、 用于废气净化的等离子体研究通信 082 吴立平 30804310731 引言随着经济和科学技术的快速发展，人们生活水平的不断提高，越来越多的人工合成物质涌现在人们眼前，在给人类生活带来方便的同时，也影响着人类的生存环境。特别是在一些工业废气中含有大量有毒有害气体，为此开展废气的治理技术研究，已经成为环境工程领域亟需解决的重大问题。其中较为引人注目的是低温等离子净化技术，非平衡等离子体技术去除气体污染物的基本原理是：通过电子束照射或高电压放电形式获得的非热平衡等离子体内，有大量的高能电子及高能电子激励产生活性粒子，将有害气体污染物氧化成无害物或低毒物。由于低温较平衡等离子体易于产生，在环保领域
2、有着广泛的应用前景。2 等离子体净化技术概况 80年代以来，等离子体应用于处理各类污染物成为国内外研究的热点之一。低温等离子体与化学技术结合形成崭新的领域低温等离子体化学，低温等离子体化学反应涉及材料的浅表面，具有不损伤材料基质、节水、节能、降低成本、无公害等优点，而且有可能实现传统的化学反应所不能实现的反应，在太阳能光电池、大规模集成电路(LSI)等电子学领域的应用，金属氮化膜的制造、医用生体材料的表面改性、功能性薄膜的制造等领域的迅速发展及实用化效果引起广泛关注。在纺织加工领域，对应于产品的高附加价值化和环境保护的要求，期待开发出与传统技术从原理上完全不同的新技术。近年来的研究已提出利用低
3、温等离子体化学改革传统纺织品加工技术，并预言这是2l世纪对环境保护、保障经济可持续发展最具应用前景的革新技术。等离子体技术也应用于烟道气的脱硫和脱硝，降解芳香烃，及硫化氢等物质。等离子体技术应用于环境污染治理的研究取得了很多进展，在治理烟道气方面有了很大改进，获得了一些新的成果，但是单纯的低温等离子体技术存在一定的缺点，离大规模工业应用还有一定的距离，需要进行改进或者跟其他工艺有机地结合。研究表明低温与催化剂联用技术治理废气在减少能耗和提高降解率等方面存在显著的优势，成为当今废气治理的发展方向之一。3 介质阻挡放电3.1 低温等离子体的产生方法低温等离子体主要有气体放电产生，气体放电法的种类较
4、多，按电极结构的不同或供能方式的不同，可分为电晕放电、表面放电、介质阻挡放电等。这些放电方法有一个共同的特点：均能够在较高的气体压力下(常压)形成非平衡等离子体。3.1.1电晕放电电晕放电法是由电子束法发展而来的，电晕放电主要分为直流电晕放电法和脉冲电晕放电。直流电晕放电是在直流高压作用下，利用电极间电场分布的不均匀性产生气体放电的一种方式，这种放电方法广泛用于静电除尘方面。直流电晕法对污染气体的脱除原理和脉冲电晕法相似，但是常规的直流电晕反应器不适用于气体污染物的净化。因为其等离子体活性空间小，仅限于电晕极附近，静电除尘过程中放电以提供离子源为目的，所需的电晕区较小，用直流电晕即可满足要求；
5、污染物的降解要求放电能为污染物的降解反应提供足够多的活性物质，反应器应有较大的活性空间，而直流电晕放电较难满足这个要求，所以不适用于污染物的净化。3.1.2表面放电表面放电的主体是结构致密的陶瓷(陶瓷管或瓷板)，在陶瓷的内部埋有金属板作为接地极，陶瓷的一侧表面上布置导体作为高压电极，另一侧作为反应器的散热面。在中、高频电压作用下，放电从放电极沿陶瓷表面延伸，在陶瓷表面形成许多细致的流注通道。日本TetsujiOda领导的研究小组从表面放电诱导等离子化学过程入手，对丙酮、三氯乙烯、氟里昂的降解进行了研究，并分析了表面放电的耗能情况。与其他放电方式相比，表面放电的功率消耗大，放电过程中发比较严重，
6、常需在反应器的外部强制冷却，能量利用率不高。另外由于放电只集中在陶瓷表面附近，所提供的等离子体反应空间亦不够，加上结构复杂，不便于实际应用。3.1.3介质阻挡放电介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电，在这类放电反应器的结构中采用电解质层将两电极隔开，介质可以覆盖在电极上或放置于电极之间，在两电极间加上足够高的交流电压时，电极间隙的空气就会发生击穿，形成放电。放电形成大量细微的快脉冲放电通道，表现为均匀、漫散和稳定，与低压辉光放电相似。电解质在放电过程中起到储能作用，使放电稳定并产生延时极短的脉冲，同时它能抑制火花放电的产生。因为介质阻挡放电小像空气中的火花放电那样会发出巨大的击穿
7、响声，历史上也称作无声放电3.2 介质阻挡放电的原理介质阻挡放电( Dielect ric Bar rier Discharg e,DBD) 也称无声放电, 是一种非平衡态的、非稳定的和不均匀的放电。它是将绝缘介质插入放电空间的一种气体放电。介质可以覆盖在电极上或者悬挂在放电空间里, 插入的绝缘介质可以使放电空间的电荷积聚于其上, 产生一个与外电场方向相反的附加电场, 阻止放电发展到电弧阶段。人们在实验室中最早研究的等离子体也是通过气体放电获得的。DBD 现象表现为不均匀、散漫和不稳定, 实际上是由大量细微的快脉冲放电通道构成的。通常放电空间的气体压强可达105Pa或更高, 因此这种放电属于高
8、气压下的非热平衡放电, 被广泛地用于臭氧合成、紫外光源等场合, 近些年来它也被用于气体激光器的激励、材料的表面处理、薄膜材料的制备、环境工程等高科技等方面, 具有潜在的应用价值。DBD 的击穿和其它放电的击穿类似之处是电子在外电场中获得能量, 通过碰撞把能量转移给其它分子, 使其激发获解离, 产生电子雪崩。将这种机理应用在工业生产上具有广阔的应用前景, 已经成为近年来国内外研究中的热点。将DBD 放电机理用于原煤的脱硫, 这种提法在国内未见相关报道。目前相对成熟的技术是对煤燃烧后生成的烟气和灰尘进行DBD 脱硫处理。3.2.1介质阻挡放电的物理过程介质阻挡放电等离子体化学的反应体系总是被分为两
9、个方面，即放电的物理过程和发生在等离子体中的化学反应。为了认识和掌握介质阻挡放电过程，独立处理这两个既不同，又相互联系的两方面是非常有帮助的，而微放电正是其关键所在。介质阻挡放电中的一个丝状微电流周期可以分为三个部分：(1)微放电的形成，也就是发生电子雪崩击穿；(2)放电击穿后气体间隙电流脉冲或电荷的输送；(3)在微放电通道中原子、分子的激发和反应动力学的启动，也就是自由基、准分子的形成这三个阶段的时间过程寿命相差很大，有数量级的差异。通常放电的局部击穿在几个ns内就己经完成，电流脉冲，即微放电寿命一般为10 FIS量级，而第三阶段原子分子的激发和反应所需要的时间为100 ns到秒量级。介质阻
10、挡法产生等离子体主要有以下特点：( 1) 等离子体操作范围较宽, 可在常压下反应,通常气压为104 106 Pa, 允许的能量也比较宽, 为1 10 eV, 频率为50 Hz 到数兆赫兹, 便于选择不同的等离子反应。( 2) 无声放电呈微放电状态, 放电表现为不稳定、不均匀的状态。在放电电极之间的电介质可防止形成局部火花或弧光放电, 保证了化学反应的安全进行。( 3) 无声放电具有较大容积的等离子体放电区域, 也就是在反应过程中反应分子接触得较充分, 有利于充分反应。4 .氩气电离的研究及仿真等离子体化学过程是伴随着非弹性碰撞发生的激发、离解、电离过程及随之生成的各种化学活性物种。非弹性碰撞引
11、起的基元反应大致如下：(1)激发、离解和电离过程主要有：由电子碰撞引起的激发、离解和电离，这是最为重要的类肇正反应由离子和中性粒子碰撞引起的激发、离解和电离；光致激发、离解和电离。(2)复合复合是电离的逆过程。等离子体中电子与正粒子、或负离子与正粒子相碰形成中性粒子，释放能量。(3)电子附着和解吸电子与某些原子和分子相碰时，随着气体种类和电子能量的不同，电子有可能被气体分子或原子捕获生成负离子，这个过程称为电子附着。电子的亲和力越大，原子或分子形成负离子就越容易。相反，负离子释放出电子的过程则称为解吸。4.1 氩气电离仿真模型实验我们将以氩气作为被电离的中性气体，通过COMSOL软件对发生器中
12、得电离反应中电子的各项参数进行模拟研究。首先我们以一个氩化学参比池为研究进行仿真模拟。仿真模型如下两图所示。模型图1 模型图2其中：6-11部分为13.56MHz线圈组，材料参数如下属性 名称 值 单位 属性组相对介电常数 epsilor 1 1 基本相对磁导率 mur 1 1 基本4和12部分为介质材料板，材料参数如下属性 名称 值 单位 属性组电导率 sigma 0 S/m 基本相对介电常数 epsilonr 4.2 1 基本相对磁导率 mur 1 1 基本2和3部分为等离子体发生反应腔体，其内部反应复杂，我们以较为简单的氩气作为研究对象将其做合理的简单化，腔体中包含了4种物质及7个反应，
13、具体如下1 e+Ar = e+Ar2 e+Ar = e+Ars3 e+Ars = e+Ar4 e+Ar = 2e+Ar+5 e+Ars = 2e+Ar+6 Ars+Ars = e+Ar+Ar+7 Ars+Ar = Ar+Ar以上逐步电离反应中反应5在维持低压氩放电现象中可以发挥重要的作用。激发的氩原子通过和电子的超弹性碰撞，抑制中性氩原子，其中两个亚稳定的亚氩原子离子化反应形成一个中立的氩原子,一个氩离子与一个电子，此后的后续表面反应得意进行。一下为两个表面反应，当一个亚稳态氩原子与墙进行接触,它将有一定概率恢复为氩原子率1 Ars = Ar 12 Ar+ = Ar 14.2 基于COMSOL
14、软件对电子分布特性的仿真通过模型的建立和对各项参数的设置之后，通过COMSOL软件的仿真研究之后就可以得出反应腔中我们所需的各项电子特性的模拟数据。4.2.1 电子密度分布此处模拟仿真了漂移扩散后电子在各处的分布密度，反应中的最大电子密度出现在射频线圈下面，反应器的中心位置，这里的电子密度足以产生一个屏蔽电场。4.2.2电子温度4.2.3 激发电子的电子数量密度激发态物质数量密度的最大值也是在也是最大的中心出现。与带电粒子不同,数量密度没有迅速下降至接近墙壁附近。激发态物质的物理性质是相对简单,它们由高能量电子形成于反应堆中心,并通过逐步电离及向边缘扩散而消散。因为激发的氩原子的迁移并不受电场
15、的影响,他们可以存在数量比离子高。峰值数量密度的激发态氩原子质量分数约为0.02。4.2.4 电子电势 参考文献：1Wang Y.Odor gas reduction using silent and corolla discharge plasmaan experimental study of nonthermal plasma techniques in position controlDMinnesota：University of Minnesota, 20012Kang M，Ko Y R jeon M K, eta1.J.JPhotochem Photobio A Chem2005
16、：1281363Zhang R HYamamoto T，Bundy D S，J，1EEE Trans1nd AppL，1996，32(1) 1131174 T.Odar . Non-thermal plasma processing for environmental protection：decomposition of dilute VOCs in air J. Journal of Electorstatics . 2003，57：393 .5Michael I.Kirkpatrick J.etal.Plasma-catalyst interactions in thetreatment of volatile organic compounds and NO
