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更新時間：2022-04-12 10:56:28瀏覽次數(shù)：160次
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等離子體技術(shù)原理等離子體中的化學(xué)反應(yīng)主要是通過氣體放電產(chǎn)生的快電子激發(fā)來完成的
等離子體技術(shù)原理
等離子體中的化學(xué)反應(yīng)主要是通過氣體放電產(chǎn)生的快電子激發(fā)來完成的。這些快電子與氣體分子碰撞，使氣體分子激發(fā)到更高的能級。被激發(fā)到高能級的分子，由于其內(nèi)能的增加，既可發(fā)生鍵的斷裂也可以與其它物種發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；而由于碰撞失去部分能量的電子在電場的作用下仍可得到補償。典型的反應(yīng)類型如下：
電子/分子反應(yīng)
激發(fā) e + A2 → A2﹢+ 2e
離解 e + A2 → 2A + e
附著 e + A2 → A2ˉ
離解附著 e + A2 → Aˉ+ A
電離 e + A2 → A2﹢+ 2e
復(fù)合 e + A2ˉ→ A2
離脫 e + A2ˉ→ A2 + 2e
分子/原子反應(yīng)
潘寧離解 M* + A2 → 2A + M
潘寧電離 M* + A2 → A2﹢+ M + e
電荷轉(zhuǎn)移 A﹢+ B → B﹢+ A
離子復(fù)合 A﹢+ Bˉ→ AB
中性復(fù)合 A + B + M → AB + M
分解反應(yīng)
電子的 e + AB → A + B + e
原子的 A* + B2 → AB + B
合成反應(yīng)
電子的 e + A → A * + e
A * + B → AB
原子的 A + B → AB
可以看出，低溫非平衡態(tài)等離子體是使分子活化的有效方法，它能使幾乎所有的分子激發(fā)、電離和自由基化，產(chǎn)生大量的活性基團，如 O2ˉ、O、OH、O3 和高能量的自由電子。這些活性物種使得在通常條件下難以實現(xiàn)的反應(yīng)可以很容易地在等離子體系統(tǒng)中完成。尤其對空氣中污染物的脫除，可以在很短的時間內(nèi)使其分解甚至*分解。
研究表明，等離子體分解空氣污染物可通過兩種途徑完成：
（1）在產(chǎn)生等離子體的過程中產(chǎn)生的瞬間高能量，打開某些有害分子的化學(xué)鍵，使其分解成單質(zhì)原子或無害分子。
（2）等離子體中包含了大量的高能電子、離子、激發(fā)態(tài)粒子（其能量范圍如表 1）和具有強氧化活性的自由基，這些活性粒子的平均能量高于氣體分子的鍵能，它們和有害氣體分子發(fā)生頻繁的碰撞，打開氣體分子的化學(xué)鍵，同時產(chǎn)生的大量?OH、HO2? 、O?等自由基和氧化性的 O3 跟有害氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成無害產(chǎn)物。
表 1 低溫等離子體中各種粒子能量和幾種氣體分子鍵能
低溫等離子體空氣凈化的作用機理如下：
O2 → 2O
N2 → N2*(A) → ? H + ?OH
NOx → N2+O2
SOx → S+O2
O2(+M) + O→ O3(+M)
? OH+H2S → HS? +H2O
O+H2S→ HS ?+ ?OH
HS ?+ ?OH→S＋H2O
?OH+NH3 → NH2+H2O
?OH+NH2 → N2+H2O
?OH+CO → CO2 +?H
此外，低溫等離子體還有去除空氣中的煙塵顆粒、細菌、花粉、病毒、孢子等污染物的作用。去除顆粒污染物放電產(chǎn)生的等離子體中包含有大量的電子和正負離子，它們在電場梯度的作用下，與空氣中的顆粒污染物發(fā)生非彈性碰撞，從而附著在上面，使之成為荷電離子，若外加電場，可被集塵極收集。這一過程對懸浮于空氣中直徑小于100 微米的顆粒和直徑小于 10 微米的可吸入顆粒有較高的清除效果。
去除細菌、花粉、病毒、孢子放電產(chǎn)生的負離子同空氣中的有毒化學(xué)物質(zhì)以及病菌懸浮顆粒物相碰撞使其帶負電。這些帶負電的顆粒物會吸引其周圍帶正電的顆粒物（通?？諝庵械募毦?、病毒、孢子等是帶正電）。這種聚集過程一直持續(xù)到顆粒物的重量足以使它降落在地面為止。除了聚集過程外，在有限的空間里空氣中帶負電的顆粒物還被吸附到帶正電的表面（通常情況下，房間里面大多數(shù)物體的表面，包括墻壁、地面、家具、電器等都是帶正電的）。
表 2 等離子體氣體凈化處理設(shè)備的參數(shù)
VOCs－揮發(fā)性有機物(三氯乙烯、苯、甲苯等) PFCs－全氟碳化物
ODS－臭氧消耗物質(zhì)(氟利昂、哈龍氣體等) 酸性氣體－SOx、NOx、HCl、H2S
低溫等離子體的技術(shù)優(yōu)勢
低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用范圍廣，氣體的流速和濃度對于氣態(tài)污染物凈化技
術(shù)應(yīng)用來說是兩個非常重要的因素。圖 2 所示為氣體流速和濃度與不同治理技術(shù)之間的關(guān)系。
由圖 2 可以看出，生物過濾和燃燒技術(shù)能應(yīng)用于較高濃度范圍，但卻受氣體的流速所限；電子束照射技術(shù)僅有一段非常窄的流速范圍。而低溫等離子技術(shù)對氣體的流速和濃度都有一個很寬的應(yīng)用范圍，其應(yīng)用廣泛不言而喻。
圖 2 氣態(tài)污染物凈化技術(shù)的應(yīng)用范圍
低溫等離子技術(shù)工藝簡單，吸附法要考慮吸附劑的定期更換，脫附時還有可能造成二次污染；燃燒法需要很高的操作溫度；聯(lián)合催化法中，催化劑存在選擇性，某些條件(如溫度過高)會造成催化劑失活，生物法要嚴格控制 pH 值、溫度和濕度等條件，以適合微生物的生長。而低溫等離子體技術(shù)者較好地克服了以上技術(shù)的不足，反應(yīng)條件為常溫常壓，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，并可同時降解混合氣態(tài)污染物，不會產(chǎn)生二次污染。
在投資費用方面，低溫等離子體反應(yīng)裝置本身系統(tǒng)構(gòu)成單一緊湊，還可通過現(xiàn)有的靜電除塵裝置改進實現(xiàn)。在運行費用方面，微觀上講，因放電過程只提高電子溫度而離子溫度基本保持不變，這樣反應(yīng)體系就得以保持低溫，所以不僅能量利用率高，而且使設(shè)備維護費用降低。
VOCs降解技術(shù)
見的 VOCs 包括甲醛、甲烷、乙烷、四氯乙烷、甲基氯化物以及各種各樣的氯代烴和全氟碳化物。目前國內(nèi)外等離子體 VOCs 降解技術(shù)主要包括電子束法、納秒級脈沖電暈、介質(zhì)阻擋放電、鐵電填充床放電、穩(wěn)定流動的直流電暈放電、沿面放電等。
為了達到工業(yè)應(yīng)用的目的，研究人員必須解決能耗問題。為了提高能量利用率，兩種方法被提出：(1)放電模式的發(fā)展，包括反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和電源參數(shù)的改進；(2)催化劑對 VOCs降解的協(xié)同作用。
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