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1、等离子体技术在大气污染防治中的应用 等离子体技术在大气污染防治中的应用发布时间:2010-09-19 08:51:48 1等离子体概况1.1等离子体及等离子体技术的基本概念 等离子体是由大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种准中性非凝聚系统,整个体系呈电中性 ,具有与一般气体不同的性质 ,容易受磁场、 电场的影响,它为化学反应提供必须的能量粒子和活性物种,在化学工业、 材料工业、 电子工业、 机械工业、国防工业、 生物医学和环境保护等方面有着广泛的应用。它是物质存在的基本形态之一，与固态、液态、气态并列，成为物质第四态。 1.2等离子体产生的机理及方法 当气体分子以一定的方式
2、在外部激励源的电场被加速获能时 ,能量高于气体原子的电离电势时 ,电子与原子间的非弹性碰撞将导致电离而产生离子电子 ,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的支配 ,此时电离的气体即为等离子体。等离子体发生器有以下两大类共计八种产生方法。 等离子包括放电等离子和化学等离子 ,放电等离子可分为有电极和无电极两类。有电极有电弧放电、 辉光放电、 电晕放电和无声放电。无电极有高频感应、 微波放电和激波放电。其中电弧放电、 辉光放电和高频放电分直流和交流两种。电弧直流放电有内极和外极之分。1.3等离子体的分类及特点应用按热力学状态不同和中性气体温度的高低 ,等
3、离子体可分为高温等离子体和低温等离子体，按温度可将等离子体划分为热力学平衡态等离子体和非热力学平衡态等离子体。当电子温度(Te)与离子温度(Ti)、中性粒子温度(Tg)相等时，等离子体处于热力学平衡状态，称之为平衡态等离子体(Equilibrium Plasma)。因为温度一般在5000K 以上，故而又称其为高温等离子体(Thermal Plasma)。当Te>>Ti时，称之为非平衡态等离子体(Non thermal Equilibrium Plasma)。其电子温度高达10的四次方K 以上，而其离子和中性粒子的温度却低至300500 K，因此，整个体系的表观温度还是很低的，故又称
4、之为低温等离子体(Cold Plasma),而低温等离子体可分为热等离子体、 冷等离子体和燃烧等离子体。热等离子体为局域热力学平衡态等离子体 ,是由高强度直流电弧放电与高频感应耦合放电产生的 ,其特点是重粒子(原子、 分子、 离子)温度接近于电子温度;冷等离子体是非平衡等离子体 ,是由辉光放电、 微波放电、 电晕放电或无声放电产生的 ,其特点是电子温度远远高于重粒子温度;燃烧等离子体通过燃烧形成 ,其特点是电离度极低。根据高能电子的来源 , 等离子体又可分为电子束照射法和脉冲电晕等离子体法1。2 等离子体技术概况2.1等离子体技术的基本概念 等离子体的应用技术因其特点而异。高温等离子体技术是利
5、用等离子体的物理特性。而低温等离子体技术则利用其中的高能电子(010 eV)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及高温等离子体难以解决的问题。由于废气中污染物的浓度不高，用低温等离子体处理废气能达到既节能又治理污染物的目的，故在大气污染的处理中，主要应用低温等离子体技术。等离子体技术用于污染治理的研究在20世纪80年代开始。目前对等离子体处理废气、废水以及固体废弃物的研究都已经取得了一定的进展，对其作用机理也有了一定的认识。但是目前的研究还都处于实验阶段，要实现大规模的工业化应用还有很长的路要走。从化学的角度来看，等离子体空间富集的离子、电子、激发态的原子、分
6、子及自由基，是极活泼的反应性物种。譬如，氢等离子体中富集了高活性的原子氢。同样地，氧气、水和有机物之类，也都可以形成各自的等离子体，产生相应的高活性物种。在对有害气体的治理中，通过放电产生的等离子体中的高能电子起决定作用，离子的热运动只起辅助作用。常压下，气体放电产生的低温等离子体中，电子温度远高于气体温度。这种特性对治理有害气体具有非常重要的能量价值。高能电子与气体分子(原子)发生非弹性碰撞将能量转化为基态分子的内能，发生激发、离解和电离等一系列过程，使气体处于活化状态。一方面打开气体分子键，生成一些单质原子或由单一气体原子组成的单原子分子和固体微粒；另一方面产生大量的活性基团和臭氧等强氧化
7、性基团。由这些单原子分子、自由基和臭氧等组成的活性粒子所引起的化学反应，最终将废气中的有害物质变成无害物质2。2.2 低温等离子体技术低温等离子体技术是一个集物理学、化学、生物学和环境科学于一体的交叉综合性技术。应用低温等离子体技术处理大气污染是目前国内外大气污染治理中最富有前景最行之有效的技术方法之一，该技术显著特点是对污染物兼具物理作用、化学作用和生物作用。其原理为：在外加电场的作用下，介质放电产生的等离子体中大量的活性电子、离子等轰击污染物分子，使其电离、解离和激发，在内置催化剂的协同作用下， 引发了一系列复杂的物理、化学反应，打开污染物分子之间的分子键，使复杂大分子污染物转变为简单小分
8、子安全物质（如二氧化碳和水），或使有毒有害物质转变为无毒无害或低毒低害物质， 并能有效地清除病毒和细菌， 从而使污染物得以降解去除。其净化作用机理包含两个方面：1、在产生等离子体的过程中，高频放电所产生的瞬间高能量能够打开某些有害气体分子的化学能，如：氨、三甲胺、硫化氢、甲硫氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳和苯乙烯，硫化物H2S、VOC类，苯、甲苯、二甲苯的分子链结构，使有机或无机高分子恶臭化合物分子链分解为单质原子或无害分子。2、等离子体中包含大量的高能电子、正负离子、激发态粒子和具有强氧化性的自由基，这些活性粒子和部分废气分子碰撞结合，在电场作用下，废气分子处于激发态，当废气分子获得
9、的能量大于其分子键能的结合能时，废气分子的分子键断裂，直接分解成单质原子或由单一原子构成得无害气体分子。同时产生的大量-OH、HO2、O等活性自由基和氧化性极强的O3，能与有害气体分子发生化学反应，最后生成无害产物。物理作用表现在具有荷电集尘作用。等离子体中的大量电子与颗粒污染物发生非弹性碰撞并粘附其表面从而使其荷电，在电场作用下，颗粒污染物被集尘极收集。生物作用表现在具有消毒杀菌之功效。机理为：等离子体中的正负粒子使微生物表面产生的电能剪切力大于其细胞膜表面张力，致使细胞膜遭到破坏而导致微生物死亡2。2.3 低温等离子体催化技术 （协同催化）低温等离子体催化技术就是指低温等离子体的多相催化技
10、术也就是在低温等离子体放电电极表面、反应器内表面、或者在放电空间置入缺电子的异相介质利用它对低温等离子体化学反应产生的催化作用来提高处理效率。在催化反应中主要包括：反应物分子在催化剂表面的吸附、吸附分子表面的化学反应和反应产物的脱附过程在放电状态下低温等离子体空间富集了大量极活泼的高活性物种，如离子、高能电子、激发态的原子、分子和自由基等。这些高活性物种在普通的热化学反应中不易得到但在低温等离子体中可源源不断地产生 有机物分子在等离子体中降解主要有以下3个途径：电子碰撞电离； 自由基碰撞电离： 离子碰撞电离。低温等离子体中的这些活性粒子的平均能量高于有机物分子的键能它们和有机物分子发生频繁的碰
11、撞打开气体分子的化学键。与有机物分子发生化学反应同时由低温等离子体放电产生的紫外光也能够促进有机物分子的降解 当催化剂置入等离子体场中时，电子能量、电子密度及功率等物理参数受到催化剂的影响。粒子f电子、受激原子和离子轰击催化剂表面催化剂颗粒被极化并形成二次电子发射，就会在表面形成场强加强区。另外由于催化剂对有机物有一定的吸附能力，在表面形成有机物的富集区这样就会在低温等离子体和催化作用下迅速发生各种化学反应从而将有机物脱除 并且低温等离子体中的活性物种，特别是高能电子含有巨大的能量可以引发位于等离子体附近的催化剂，并可降低反应的活化能。同时催化剂还可选择性地与低温等离子体产生的副产物反应得到无
12、污染的物质(如二氧化碳和水）。因此，低温等离子体与催化剂协同作用时较直接催化剂法或单纯低温等离子体法具有更高的脱除效率能更有效地减少副产物的产生，提高反应的选择性并由于吸附作用能进一步降低反应能耗，用该项技术处理大气污染具有以下特点：能耗低。可在室温下与催化剂反应，无需加热，极大地节约了能源，从而使成本大为降低无需外加原料，运行费用低；不产生副产物。催化剂可选择性地降解等离子体反应中所产生的副产物，能实现无害资源化处理，无二次污染；设备使用便利， 运行可靠。集散控制，维护简便；尤其适于处理有气味及大风量的气体。该技术广泛适用于以下行业：石油 化工、化纤、医药、烟草、橡胶、食品、制革、喷漆 彩印
13、、印铁、溶剂清洗、制鞋、涂胶、半导体工业、 垃圾场、家畜圈、牧场、粪肥处理厂和水处理厂 等行业的废气中含有 NH 3 、 H 2 S 、 CS 2 、硫醇、硫醚、苯乙烯二甲二硫、三甲胺等有毒、恶臭气体； 涉及含碳燃料、卷烟的燃烧，会向大气中排放碳氧化物(CO 2 ，CO)的行业，如炼焦、炼钢、炼铁等工业生产行业；医院、 宾馆、写字楼、公共场所、居家的空气消毒、净化；金属加工、 饮食业油烟净化方面3。3等离子体技术在大气污染防治中的具体应用大气中的主要污染物有：总悬浮颗粒、飘尘、硫氧化物、氮氧化物、硫化氢、氨、碳氧化物和挥发性有机物(VOCs)等。它们分别来自于生活污染源、工业污染源和交通污染源
14、。由于对气体中污染物的治理主要是在常压下进行的，所以一般采用在常压下产生低温等离子体的电晕放电和介质阻挡放电两种形式，脉冲电晕放电系统原理如图3-1所示。电源输出的直流高压首先向储能电容C 充电，旋转火花隙G 导通后，C 通过硅堆D和电感L向C 充电，待到G 导通后，C 形成高压脉冲注入反应器Re。1 脉冲电晕放电系统原理图 图3-1 其中C1为储能电容，D为硅堆，L为电感，G1,G2为火花隙开关，Cp为脉冲成型电容，Re为反应器。反应器Re一般有线一板式和线一筒式两种结构。反应器的基本结构如图3-2所示1：反应器的基本结构 图3-2 3.1总悬浮颗粒、飘尘的净化 总悬浮颗粒物是指粒径在100
15、 微米以下的颗粒物，简称TSP。粒径在10 微米以下的浮游状颗粒物，称为飘尘。工业废气中悬浮颗粒和飘尘以气态和气溶胶态长期悬浮在空气中，对大气环境造成了严重的污染，其中粒径在015 微米 的颗粒对人体危害最大 。从工业废气中将颗粒物质分离出来并加以捕集、回收的过程称为除尘，实现除尘过程的设备称为除尘器或除尘装置。目前应用较多的除尘装置主要有机械式除尘器、湿式除尘器、电除尘器和过滤式除尘器等。它们或因除尘效率低，或因有二次污染，或因工艺复杂，或因运行费用高等原因而不能满足日益加剧的大气污染的处理。等离子体技术作为一种高效、新型的除尘技术，实现了除尘脱硫脱硝一体化。其除尘原理是：通过电晕放电产生的
16、低温等离子体，其中的电子和离子在梯度场的作用下和废气中的颗粒物相互碰撞并附着在这些粒子上，使之成为荷电粒子，在电场力作用下向收尘极(又称集尘极)运动并在收尘极上沉积，从而达到除尘的目的。静电除尘中的电场是不均匀的，不均匀是电场引起的放电。等离子体在针状或者丝状点击上加上高压后发生的电晕是，高压将周围气体电离形成的，虽然看起来现象差不多，但是形成的机制是不同的 。3.2脱硫、脱硝技术在工业废气中，对环境影响最为严重的污染物是硫氧化物和氮氧化物。硫氧化物主要由燃煤及燃油等含硫物质燃烧产生，其主要成分是二氧化硫。氮氧化物有一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮、三氧化二氮等，其中占主要成分的是一氧化氮和二氧化氮，以NOx(氮氧化物)表示。NOx污染主要来源于生产、生活中所用的煤、石油等燃料燃烧的产物(包括汽
