低温等离子体技术在环保方面的应用研究进展样本

低温等离子体技术在环保方面应用研究进展**摘要：本文简介了等离子体有关概念及产生原理，对低温等离子体技术在环境治理方面应用研究进展做了概述，内容涉及低温等离子体技术对废水和废气净化解决。核心字：低温等离子体；环保；技术1、引言等离子体(Plasma)一种由自由电子和带电离子为重要成分物质形态，广泛存在于宇宙中，也是宇宙中丰度最高物质形态[1][2]，常被视为是物质第四态(另一种第四态是液晶体)，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。等离子体具备很高电导率，与电磁场存在极强耦合伙用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）初次将Plasma一词引入物理学，用来描述气体放电管里物质形态[3],Plasma是源自希腊文，意为可形塑物体，此字有随着容器形状变化自身形状之意，如灯管中档离子体会随着灯管形状变化自身形状。严格来说，等离子体是具备高位能高动能气体团，等离子体总带电量仍是中性，借由电场或磁场高动能将外层电子击出，成果电子已不再被原子核束缚，而成为高位能高动能自由电子。1.1、等离子体形成原理等离子体普通被视为物质除固态、液态、气态之外存在第四种形态。如果对气体持续加热，使分子分解为原子并发生电离，就形成了由离子、电子和中性粒子构成气体，这种状态称为等离子体。除了加热之外，还可以运用如加上强电磁场等办法使其解离。当外加电压达到气体着火电压时，气体被击穿，产生涉及电子、各种离子、原子核自由基在内混合体。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，这时等离子体称为低温等离子体。1.2、等离子体性质等离子体与气体性质差别很大，等离子体中起主导作用是长程库仑力，并且电子质量很小，可以自由运动，因而等离子体中存在明显集体过程（collectivebehavior），如振荡与波动行为。等离子体中存在与电磁辐射无关声波，称为阿尔文波。等离子态常被称为“超气态”，它和气体也有诸多相似之处，例如：没有拟定形状和体积，具备流动性，但等离子体也有诸多独特性质。等离子体中粒子具备群体效应，只要一种粒子扰动，这个扰动会传播到每个等离子体中电离粒子。等离子体自身亦是良导体。1.3、等离子体和气体比较等离子体和普通气体最大区别是它是一种电离气体。由于存在带负电自由电子和带正电离子，有很高电导率，和电磁场耦合伙用也极强：带电粒子可以同电场耦合，带电粒子流可以和磁场\o"磁场"耦合。描述等离子体要用到电动力学，并因而发展起来一门叫做磁流体动力学理论。和普通气体不同是，等离子体包括三到四种不同构成粒子：自由电子、带正电离子、中性气体原子（未电离原子）和自由基。因而可以针对不同组分定义不同温度：电子温度和离子温度。轻度电离等离子体，离子温度普通远低于电子温度，称之为“低温等离子体”。高度电离等离子体，离子温度和电子温度都很高，称为“高温等离子体”。相比于普通气体，等离子体构成粒子间互相作用也大诸多。等离子体常称为固体、液体及气体以外第四相[8][9]。但其特性和其她能量较低物质状态有明显不同。等离子体和气体都没有一定形状及体积，但两者仍有如下不同之处：性质气体等离子体电导率非常小：空气是良好绝缘体，在电场强度超过30kV/cm时会分解为等离子体[10]。普通很大：在许多应用中，会假设等离子体电导率为无限大。其中不同行为粒子种类数1：所有气体粒子行为类似，都受引力及其她粒子碰撞影响。2或3：电子、离子、质子和中子其电荷大小及符号不同，因而有独立行为，也有不同温度及速度，会有某些特殊波动及不稳定性。速度分布麦克斯韦-玻尔兹曼分布：粒子碰撞会导致气体粒子麦克斯韦-玻尔兹曼分布，其中很少有高能量粒子。非麦克斯韦分布：热等离子体碰撞互相作用不强，以外力影响为主，因而会有明显比例粒子有非常迅速度。互相作用二个粒子：重要以二个粒子之间作用为主，三个粒子碰撞很少见。集体性：波动或是等离子体有组织作用非常重要，由于远距离粒子之间，会因电场及磁场而互相影响。1.4、常用等离子体等离子体是宇宙中存在最广泛一种物态，当前观测到宇宙物质中，99%都是等离子体，虽然分布范畴很稀薄。常用等离子体形态人造等离子体地球上等离子体太空和天体物理中档离子体荧光灯，霓虹灯灯管中电离气体圣艾尔摩之火太阳和其她恒星（其中档离子体由于热核聚变供应能量产生）核聚变实验中高温电离气体火焰（上部高温某些）太阳风电焊时产生高温电弧，电弧灯中电弧闪电行星际物质（存在于行星之间）火箭喷出气体球状闪电星际物质（存在于恒星之间）等离子显示屏和电视大气层中电离层星系际物质（存在于星系之间）太空飞船重返地球时在飞船热屏蔽层前端产生等离子体极光木卫一与木星之间流量管在生产集成电路用来蚀刻电解质层等离子体中高层大气闪电吸积盘等离子球星际星云2、等离子体化学理论及其应用研究

2.1、等离子体化学理论

等离子体是高度电离气体，它由电子、离子、原子及分子构成混合气体，整个体系正负电荷相等而呈中性，具备与普通气体不相似性质，其内电子、离子、甚至中性粒子普通都具备较高能量，所进行各种化学反映，都是在高激发态下进行，完全不同于典型化学反映。这样使等离子体内原子或分子本性普通都发生变化，如惰性气体化学活泼性也会变得很强，能生成XeF6和O2F2等。地球上等离子体只能在实验条件下产生，气体放电是最惯用人工产生等离子体办法，还可以用微波加热、激光加热、高能粒子轰击办法产生等离子体。例如氘气在温度高到105K时，就形成电子和氘核构成等离子体，这时气压可高达常压1360倍。然而等离子体在自然界却是大量存在，宇宙中绝大多数（或99%以上物质，都是以等离子状态存在）。恒星和星际空间物质，绝大某些呈等离子状态，地球上某些自然现象，如电离层、极光、闪电等都和等离子体关于，研究天体物理许多问题如星系构造，恒星表面现象，太阳风等也都与等离子体关于。等离子体理论涉及到物理学、气体动力学、电磁学、化学等学科，现已成为一门新兴交叉学科。

2.2等离子体理论应用

等离子体理论是一种新兴领域，各种人工产生等离子体可用于等离子体切割、等离子体喷涂、磁约束/惯性约束聚变反映、聚合反映以及材料制备、化合物制备、科学实验等，现已被广泛应用于原子能、钢铁、冶金、半导体、陶瓷、塑料机械加工等方面。等离子体理论用于化学反映，不但能合成许多无机化合物和有机化合物，并且还能合成采用普通办法难以合成或不能合成某些化合物（如氟化氙），显示了独特优越性。等离子体化学反映与已实现工业化某些高温化学反映、光化学反映、催化反映、放射或辐射化学反映相比具备较高效率和良好选取性。例如几乎所有氧化物、硫化物及氯化物在热等离子体高温条件下都会发生分解，例如锆英石能分解成二氧化锆，是优秀耐火材料（熔点2973K），可用在陶瓷、搪瓷等着色剂，具备流程短、耗电少、成本低、无三废长处。四氯化钛被氧化成二氧化钛，粉粒细、成本低、已取代老式工艺。在有机合成反映及有机聚合反映中，应用冷等离子体电子温度高，体系温度低特点，还也许引起环状化合物环收缩、环扩大、环开裂，有机化合物中原子或小集团脱离（如H、CO、CO2等），本文仅对采用等离子体理论解决废水、废气作了研究。

3、低温等离子体技术在环保中应用低温等离子体内部富含极高化学活性粒子，如电子、离子、自由基和激发态分子等。低温等离子体降解污染物是运用这些高能电子、自由基等活性粒子和废水、废气中污染物作用，使污染物分子在极短时间内发生分解，并发生后续各种反映已达到分解污染物目。低温等离子体去除污染物机理中，等离子体传递化学能量反映过程中能量传递大体如下：电场+电子→高能电子高能电子+分子（或原子）→（受激原子、受激基团、游离基团）活性基团活性基团+分子（或原子）→生成物+热活性基团+活性基团→生成物+热从以上过程可以看出，电子一方面从电场获得能量，通过激发或者电离将能量转移到分子或原子中去，获得能量分子或原子被激发，同步有某些分子被电离，从而成为活性基团；之后这些活性基团与分子或原子、活性基团与活性基团之间互相碰撞后生成稳定产物和热。此外，高能电子也能被卤素和氯气等电子亲和力较强物质俘获，成为负离子，此类负离子具备较好化学活性，在化学反映中起着重要作用。3.1、低温等离子体技术治理废气低温等离子废气解决作为一种新型气态污染物治理技术是一种集物理学、化学、生物学和环境科学于一体交叉综合性电子化学技术，由于很容易使污染物高效分解且解决能耗低等特点，是当前国内外大气污染治理中最富有前景、最行之有效技术办法之一，其使用和推广前景辽阔，为工业领域VOC类有机废气及恶臭气体治理开辟了一条新思路。3.1.1、低温等离子体有机废气净化运用低温等离子体产生具备高氧化性臭氧，在催化剂作用下，使有机废气在较低温度下完全转化。该技术可应用于溶剂厂、印染厂、油漆厂等有机废气排放源。如上海乾翰环保生产“QHDD-Ⅱ”低温等离子体工业废气解决成套设备和技术是在原电晕放电基本上由高频高压电场通过尖端放电产生新一代低温等离子体技术，具备能量高、电子发射密度高等特点，其净化原理如下：在放电过程中，电子从电场中获得能量，通过非弹性碰撞将能量转化为污染物分子内能或动能，这些获得能量分子被激发或发生电离形成活性基团，同步空气中氧气和水分在高能电子作用下也可产生大量新生态氢、活性氧和羟基氧等活性基团，这些活性基团互相碰撞后便引起了一系列复杂物理、化学反映。当污染物分子获得能量不不大于其分子键能结合能时，污染物分子分子键断裂，直接分解成单质原子或由单一原子构成无害气体分子。从等离子体活性基团构成可以看出，等离子体中含大量高能电子、正负离子、激发态粒子和具备强氧化性活性自由基，这些活性粒子和某些废气分子碰撞结合，同步产生大量OH、HO2、O等活性自由基和氧化性极强O3，能与有害气体分子发生化学反映，最后生成无害产物。物理作用体当前具备荷电集尘作用。等离子体中大量电子和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。生物作用体当前具备消毒杀菌功能。机理为：等离子体中正负粒子使微生物表面产生电能剪切力不不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。3.1.2、低温等离子体汽车尾气净化近些年来，随着汽车市场激烈竞争与汽车保有量高速增长，汽车尾气污染问题日益严重，已经成为都市大气污染重要污染源之一。而等离子体技术由于其净化效率高，能同步解决各种污染物以及无二次污染等长处，在汽车尾气净化领域应用中引起人们特别关注。西方国家于20世纪80年代便开展了有关研究，如1989年Clements等[11]人通过脉冲电晕进行了同步去除SO2和NOx实验、1998年M.Dors等[12]等人进行了直流偏压叠加脉冲电晕放电，通过加湿静电集尘器脱除NOx研究并获得了较好效果。而国内对于这方面研究则进行较晚，直到20世纪90年代初期才开始有关研究，但进展较快。如赵文华等[13]人采用半导体器件制作了小巧高压电源，设计了一套轻便电晕放电等离子体发生器，通过变化放电管输入功率、NO浓度及流量进行了去除NO实验研究，获得了抱负效果，最佳转化率达到100%；冯志宏等[14]人采用介质阻挡放电等离子体技术脱除汽车尾气中NO，并通过实验对“N2+NO”模仿尾气低温等离子体净化做了研究，考察了放电电压、尾气在等离子体反映器中停留时间、NO初始浓度对模仿尾气中NO去除率影响，成果表白在增大放电电压、减少模仿尾气进入等离子体反映器流量状况下，NO去除效果非常明显；曾科等[15]人将低温等离子体技术用于减少柴油机微粒排放[16]，得到了适于静电捕集微粒电阻率范畴，以及初步采用脉冲电晕等离子体法去除汽车尾气中CO、NOx，得到了某些重要经验数据等。等离子体中离子、电子和激发态原子都是极活泼反映性物种，能使普通条件下难以进行或速度很慢反映变得十分迅速，从而引起一系列物理和化学反映，实现对尾气中有害气体净化。机理反映如下[17]：O3→O2+OCxHy+O2→CO2+H2ONO+O3→NO2+OCO+O→CO22NO2+2e(快)→N2+2O2+2e(慢)NO2+e(快)→NO+O+e(慢)NO2+e(快)→N+O2+e(慢)SO2+e(快)→S+O2+e(慢)CO2+e(快)→CO+O2+e(慢)CO2+e(快)→C+O2+e(慢)3.2、低温等离子体废水净化低成本、高能效地使废水达标排放或回用是水解决领域永远追求目的，而废水中有毒、难降解污染物（如含芳环类化合物、有机聚合物、表面活性剂等）治理是达标排放或回用中核心环节。针对这些污染物，当前最受关注是与OH自由基有关高档氧化技术。如湿式氧化、催化氧化、超临界氧化、低温等离子体氧化等。其中低温等离子体氧化技术是近些年来新兴起一项高档氧化技术，它兼具高能电子辐射、紫外光解、高温热解和臭氧氧化等多方面协同降解作用，能有效去除工业废水中难降解物质，具备降解速率快、解决范畴广、效果好、无二次污染、可在常温常压下进行等长处，特别是在解决难降解有毒废水方面有着明显优越性，具备辽阔应用前景，被以为是21世纪最有发展前程废水解决技术。低温等离子体降解有机物过程是集自由基氧化、紫外光解、高温热解、夜电空化降解以及超临界水氧化等各种氧化技术互相交替作用过程，既涉及等离子体通道内有机物直接降解，也涉及等离子体通道外高档氧化。其氧化机理：低温等离子体是在特定反映器内，由高压脉冲电源向水中或水面之上空间注入能量产生。当徒前延、窄脉冲高压施加于放电极与接地极之间时，巨大脉冲电流使系统温度急剧上升，在两极之间形成放电通道，同步高强电场使电子瞬间获得能量成为高能电子，与水分子碰撞解离，在高温条件下，通道内就形成了稠密等离子体。低温等离子体重要由电子、正负离子、激发态原子、分子以及具备强氧化性自由基等构成，在放点作用下，这些活性物质轰击污染物中C-O键及其他不饱和键，发生断键和开环等一系列反映，或某些使大分子物质变成小分子，从而提高难降解物质可生化性。低温等离子体具备高密度、高膨胀效应以及高能量储存能力等特点，它能将放电能量以分子动能、离解能、电离能和原子勉励能等形式储存于等离子体中，继而转换为热能、膨胀压力势能、光能以及辐射能等，导致等离子体内部存在压力梯度，等离子体边界存在温度梯度，其中膨胀势能和热辐射压力能叠加形成液相放电冲击波，这一压力作用于水介质，通过水分子机械惯性，使其以波形式传播出去，便形成了压力冲击波。同步，等离子体通道热能不但气化了周边液体，并且转变为气泡内能及膨胀势能。由于气泡内压强和温度均很高，使它向外膨胀对周边液体介质做功，气泡内位能又转变为液体介质运动动能，如果介质比较均匀，就会浮现动能、位能两者之间转换，从而浮现气泡膨胀-收缩过程（夜电空化效应）。气泡形成过程是等离子体消失过程，气泡内残存大量离子、自由基和处在不同激发态原子、分子随气泡破灭而向周边介质中扩散。此外，等离子体通道内热能向周边液体传播，导致了诸多高温、高压蒸汽泡产生，这些蒸汽泡温度和压力足以形成暂态超临界水（临界温度647K，临界压力2.2×107Pa）。运用低温等离子体氧化法解决难降解有毒废水研究还处在实验阶段，当前多为解决单一组分模仿废水，如苯酚、TNT、苯乙酮、各种染料等。等离子体对这些有机物去除率与各种因素关于，涉及放电电极极性，放电峰压、放电频率、溶液电导率、PH值、添加剂等。当前所做研究均为等离子体氧化法解决工业废水提供思路。3.2.1液相放电解决有机废水液相放电即通过没入水中高压电机和地电极将能量注入水中后产生羟基、过氧化氢、臭氧等活性物质。陈银生等[19-22]运用针板式放电装置对废水中苯酚或对氯苯酚降解效果进行了研究，并分析了降解产物构成。成果表白，提高脉冲电压峰值、延长放电时间、无机盐FeSO4存在均可提高降解效果，自由基清除剂及缓冲剂存在会明显减少降解效果。100mg·Ｌ-1苯酚废水溶液放电解决180min，最高降解率达67.3%。当放电解决420min时，废水TOC下降83.8%。对100mg·Ｌ-14-氯酚废水放电解决240min，最高降解率可达90%以上，降解产物重要有苯酚、对苯二酚、邻苯二酚、对氯邻苯二酚和对苯醌等。当放电时间足够长时，对氯苯酚可完全降解为CO2和H2O等无机小分子。高压脉冲液相放电技术是当前最新型水解决高档氧化技术，集高能电子辐射、化学氧化、光化学氧化等高档氧化技术于一体，系统无需外加氧化剂，反映体系不需辅以高温、高压或外加光源等技术手段。3.2.2气相放电解决有机废水气相电晕放电来源于臭氧发生器，在两电极间施加电压时，电极间气体介质被击穿，产生非平衡等离子体（重要是臭氧）扩散进液体中与污染物反映。在国内，脉冲电晕降解有机废水研究工作始于1996年李胜利等[23]人应用这一技术进行了直接兰2B废水降解和染料废水脱色实验，发现高压毫微秒脉冲产生直接与废水接触非平衡等离子体可有效破坏染料发色基团，使印染废水在10s内脱色，最后可使色度减少90%。在对直接兰2B降解实验中，观测到COD明显下降，BOD先升后降，必定了放电对染料分子破坏和溶液可生物降解性提高。近年来，陈海燕等[24]人采用多针-板式高压脉冲气相放电体系解决TNT废水，结合向反映器中投加催化剂来强化TNT降解效果，考察了不同催化剂及投加量对TNT降解效果影响。3.2.3气液两相放电解决有机废水把气相放电（重要产生臭氧）和液相放电（产生羟基和过氧化氢）长处结合起来，那么气液两相放电研究将成为研究热点。国内当前大连理工吴彦课题组[25]、中华人民共和国石油大学（华东）郑经堂课题组[26]也都在进行这方面研究。4、小结尽管国内外对低温等离子体技术在环保中应用原理已有较多讨论，也有诸多单一有机物降解实验室研究工作报道，但是该技术对不同类型有机物和实际工业废水、废气降解研究报道还是非常少，对废水、废气作用机理以及各种因素对解决效果影响规律研究还不够。因而低温等离子体技术作为当今热点研究，其在环保上应用依然有辽阔前景。参照文献[1]IonizationandPlasmas.TheUniversityofTennessee,KnoxvilleDepartmentofPhysicsandAstronomy.[2]HowLightningWorks.HowStuffWorks.[3]Langmuir,I.,1928,ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica，14,627.NASAADSDOI:10.1073/pnas.14.8.627[4]Sturrock,PeterA.PlasmaPhysics:AnIntroductiontotheTheoryofAstrophysical，Geophysical&LaboratoryPlasmas..CambridgeUniversityPress.1994.ISBN978-0521-44810-0.[5]Hazeltine,R.D.:Waelbroeck,F.L.TheFrameworkofPlasmaPhysics.WestviewPress..ISBN978-0-7382-0047-7.[6]Dendy,R.O.PlasmaDynamics.OxfordUniversityPress.1990.ISBN978-0-19-852041-2.[7]Hastings，DanielandGarrett，Henry.Spacecraft-EnvironmentInteractions.CambridgeUniversityPress..ISBN978-0-521-47128-2.[8]YaffaEliezer，ShalomEliezer，TheFourthStateofMatter：AnIntroductiontothePhysicsofPlasma，Publisher：AdamHilger，1989,ISBN978-0-85274-164-1,226pages，page5[9]Bittencourt，J.A.FundamentalsofPlasmaPhysics.Springer.：1.ISBN3.[10]Hong，Alice.DielectricStrengthofAir.ThePhysicsFactbook..[11]J.S.Clements,A.Mizuno,W.C.Finney,etal.CombinedremovalofSO2，NOxandflyashfromsimulatedfluegasusingpulsedstreamercorona[J].IEEETransactionsonIndustryAplications，1989,25(1):62~69.[12]M.Dors，J.Mizeraczyk,T.Czech,etal.RemovalofNOxbyDCandpulsedcoronadischargesinawetelecrto