等离子体技术原理

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 → A2ˉ

离解附着 e + A2 → Aˉ+ A

电离 e + A2 → A2﹢+ 2e

复合 e + A2ˉ→ A2

离脱 e + A2ˉ→ 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﹢+ Bˉ→ 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 O2ˉ、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

低温等离子体空气净化的作用机理如下：

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，低温等离子体还有去除空气中的烟尘颗粒、细菌、花粉、病毒、孢子等污染物的作用。去除颗粒污染物放电产生的等离子体中包含有大量的电子和正负离子，它们在电场梯度的作用下，与空气中的颗粒污染物发生非弹性碰撞，从而附着在上面，使之成为荷电离子，若外加电场，可被集尘极收集。这一过程对悬浮于空气中直径小于100 微米的颗粒和直径小于 10 微米的可吸入颗粒有较高的清除效果。

去除细菌、花粉、病毒、孢子放电产生的负离子同空气中的有毒化学物质以及病菌悬浮颗粒物相碰撞使其带负电。这些带负电的颗粒物会吸引其周围带正电的颗粒物（通常空气中的细菌、病毒、孢子等是带正电）。这种聚集过程一直持续到颗粒物的重量足以使它降落在地面为止。除了聚集过程外，在有限的空间里空气中带负电的颗粒物还被吸附到带正电的表面（通常情况下，房间里面大多数物体的表面，包括墙壁、地面、家具、电器等都是带正电的）。

表 2 等离子体气体净化处理设备的参数

VOCs－挥发性有机物(三氯乙烯、苯、甲苯等) PFCs－全氟碳化物

ODS－臭氧消耗物质(氟利昂、哈龙气体等) 酸性气体－SOx、NOx、HCl、H2S

低温等离子体的技术优势

低温等离子体技术应用范围广，气体的流速和浓度对于气态污染物净化技

术应用来说是两个非常重要的因素。图 2 所示为气体流速和浓度与不同治理技术之间的关系。

由图 2 可以看出，生物过滤和燃烧技术能应用于较高浓度范围，但却受气体的流速所限；电子束照射技术仅有一段非常窄的流速范围。而低温等离子技术对气体的流速和浓度都有一个很宽的应用范围，其应用广泛不言而喻。

图 2 气态污染物净化技术的应用范围

低温等离子技术工艺简单，吸附法要考虑吸附剂的定期更换，脱附时还有可能造成二次污染；燃烧法需要很高的操作温度；联合催化法中，催化剂存在选择性，某些条件(如温度过高)会造成催化剂失活，生物法要严格控制 pH 值、温度和湿度等条件，以适合微生物的生长。而低温等离子体技术者较好地克服了以上技术的不足，反应条件为常温常压，反应器结构简单，并可同时降解混合气态污染物，不会产生二次污染。

在投资费用方面，低温等离子体反应装置本身系统构成单一紧凑，还可通过现有的静电除尘装置改进实现。在运行费用方面，微观上讲，因放电过程只提高电子温度而离子温度基本保持不变，这样反应体系就得以保持低温，所以不仅能量利用率高，而且使设备维护费用降低。

VOCs降解技术

最常见的 VOCs 包括甲醛、甲烷、乙烷、四氯乙烷、甲基氯化物以及各种各样的氯代烃和全氟碳化物。目前国内外等离子体 VOCs 降解技术主要包括电子束法、纳秒级脉冲电晕、介质阻挡放电、铁电填充床放电、稳定流动的直流电晕放电、沿面放电等。

为了达到工业应用的目的，研究人员必须解决能耗问题。为了提高能量利用率，两种方法被提出：(1)放电模式的发展，包括反应器结构和电源参数的改进；(2)催化剂对 VOCs降解的协同作用。

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