等離子體技術(shù)在大氣污染防治中的應(yīng)用

1、等離子體技術(shù)在大氣污染防治中的應(yīng)用等離子體技術(shù)在大氣污染防治中的應(yīng)用發(fā)布時(shí)間 :2010-09-19 08:51:481 等離子體概況1.1 等離子體及等離子體技術(shù)的基本概念 等離子體是由大量正負(fù)帶電粒子和中性粒子組成的，并 表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性非凝聚系統(tǒng) ,整個(gè)體系呈電中 性 ,具有與一般氣體不同的性質(zhì) , 容易受磁場(chǎng)、 電場(chǎng)的影響 它為化學(xué)反應(yīng)提供必須的能量粒子和活性物種,在化學(xué)工業(yè)、材料工業(yè)、 電子工業(yè)、 機(jī)械工業(yè)、國(guó)防工業(yè)、 生物醫(yī)學(xué) 和環(huán)境保護(hù)等方面有著廣泛的應(yīng)用。它是物質(zhì)存在的基本形 態(tài)之一，與固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)并列，成為物質(zhì)第四態(tài)。1.2 等離子體產(chǎn)生的機(jī)理及方法 當(dāng)氣體分子

2、以一定的方式在外部激勵(lì)源的電場(chǎng)被加速獲能時(shí) , 能量高于氣體原子的電離電勢(shì)時(shí), 電子與原子間的非彈性碰撞將導(dǎo)致電離而產(chǎn)生離子電子,當(dāng)氣體的電離率足 夠大時(shí) ,中性粒子的物理性質(zhì)開(kāi)始退居次要地位。整個(gè)系統(tǒng) 受帶電粒子的支配 ,此時(shí)電離的氣體即為等離子體。等離子 體發(fā)生器有以下兩大類共計(jì)八種產(chǎn)生方法。等離子包括放電等離子和化學(xué)等離子,放電等離子可分為有電極和無(wú)電極兩類。 有電極有電弧放電、 輝光放電、 電 暈放電和無(wú)聲放電。無(wú)電極有高頻感應(yīng)、微波放電和激波放電。其中電弧放電、 輝光放電和高頻放電分直流和交流 兩種。電弧直流放電有內(nèi)極和外極之分。1.3 等離子體的分類及特點(diǎn)應(yīng)用 按熱力學(xué)狀態(tài)不同和中

3、性氣體溫度的高低 ,等離子體可分為 高溫等離子體和低溫等離子體，按溫度可將等離子體劃分為 熱力學(xué)平衡態(tài)等離子體和非熱力學(xué)平衡態(tài)等離子體。當(dāng)電子 溫度(Te)與離子溫度(Ti)、中性粒子溫度(Tg)相等時(shí)，等離子 體處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)， 稱之為平衡態(tài)等離子體 (Equilibrium Plasma) 。因?yàn)闇囟纫话阍?5000K 以上， 故而又稱其為高溫 等離子體 (Thermal Plasma) 。當(dāng) Te>>Ti 時(shí)，稱之為非 平衡態(tài)等離子體 (Non thermal Equilibrium Plasma) 。其電 子溫度高達(dá) 10 的四次方 K 以上，而其離子和

4、中性粒子的溫 度卻低至 300500 K ，因此，整個(gè)體系的表觀溫度還是很低 的，故又稱之為低溫等離子體 (Cold Plasma), 而低溫等離子 體可分為熱等離子體、 冷等離子體和燃燒等離子體。熱等離子體為局域熱力學(xué)平衡態(tài)等離子體,是由高強(qiáng)度直流電弧 放電與高頻感應(yīng)耦合放電產(chǎn)生的 ,其特點(diǎn)是重粒子 （原子、 分子、 離子 ）溫度接近于電子溫度 ;冷等離子體是非平衡等離 子體 ,是由輝光放電、 微波放電、 電暈放電或無(wú)聲放電產(chǎn) 生的 ,其特點(diǎn)是電子溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于重粒子溫度 ;燃燒等離子 體通過(guò)燃燒形成 ,其特點(diǎn)是電離度極低。根據(jù)高能電子的來(lái) 源 , 等離子體又可分為電子束照射法和脈沖電暈等離子

5、體 法1。2 等離子體技術(shù)概況2.1 等離子體技術(shù)的基本概念 等離子體的應(yīng)用技術(shù)因其特點(diǎn)而異。高溫等離子體技術(shù) 是利用等離子體的物理特性。而低溫等離子體技術(shù)則利用其 中的高能電子（010 eV）參與形成的物理、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程， 通過(guò)這些物理化學(xué)過(guò)程可以完成許多普通氣體及高溫等離 子體難以解決的問(wèn)題。由于廢氣中污染物的濃度不高，用低 溫等離子體處理廢氣能達(dá)到既節(jié)能又治理污染物的目的，故 在大氣污染的處理中，主要應(yīng)用低溫等離子體技術(shù)。等離子 體技術(shù)用于污染治理的研究在 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始。 目前對(duì) 等離子體處理廢氣、廢水以及固體廢棄物的研究都已經(jīng)取得 了一定的進(jìn)展，對(duì)其作用機(jī)理也有了一定的認(rèn)

6、識(shí)。但是目前 的研究還都處于實(shí)驗(yàn)階段，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用還有 很長(zhǎng)的路要走。從化學(xué)的角度來(lái)看，等離子體空間富集的離 子、電子、激發(fā)態(tài)的原子、分子及自由基，是極活潑的反應(yīng) 性物種。譬如，氫等離子體中富集了高活性的原子氫。同樣 地，氧氣、水和有機(jī)物之類， 也都可以形成各自的等離子體， 產(chǎn)生相應(yīng)的高活性物種。在對(duì)有害氣體的治理中，通過(guò)放電 產(chǎn)生的等離子體中的高能電子起決定作用，離子的熱運(yùn)動(dòng)只 起輔助作用。常壓下，氣體放電產(chǎn)生的低溫等離子體中，電 子溫度遠(yuǎn)高于氣體溫度。這種特性對(duì)治理有害氣體具有非常 重要的能量?jī)r(jià)值。高能電子與氣體分子 （ 原子 ） 發(fā)生非彈性碰 撞將能量轉(zhuǎn)化為基態(tài)分子的內(nèi)能，發(fā)

7、生激發(fā)、離解和電離等 一系列過(guò)程， 使氣體處于活化狀態(tài)。 一方面打開(kāi)氣體分子鍵， 生成一些單質(zhì)原子或由單一氣體原子組成的單原子分子和 固體微粒；另一方面產(chǎn)生大量的活性基團(tuán)和臭氧等強(qiáng)氧化性 基團(tuán)。由這些單原子分子、自由基和臭氧等組成的活性粒子 所引起的化學(xué)反應(yīng)，最終將廢氣中的有害物質(zhì)變成無(wú)害物質(zhì) 2。2.2 低溫等離子體技術(shù) 低溫等離子體技術(shù)是一個(gè)集物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和環(huán)境科 學(xué)于一體的交叉綜合性技術(shù)。應(yīng)用低溫等離子體技術(shù)處理大 氣污染是目前國(guó)內(nèi)外大氣污染治理中最富有前景最行之有 效的技術(shù)方法之一，該技術(shù)顯著特點(diǎn)是對(duì)污染物兼具物理作 用、化學(xué)作用和生物作用。 其原理為： 在外加電場(chǎng)的作用下，

8、介質(zhì)放電產(chǎn)生的等離子體中大量的活性電子、離子等轟擊污 染物分子，使其電離、解離和激發(fā)，在內(nèi)置催化劑的協(xié)同作 用下， 引發(fā)了一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，打開(kāi)污染物 分子之間的分子鍵，使復(fù)雜大分子污染物轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單小分子 安全物質(zhì)（如二氧化碳和水） ，或使有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú) 毒無(wú)害或低毒低害物質(zhì)， 并能有效地清除病毒和細(xì)菌， 從 而使污染物得以降解去除。其凈化作用機(jī)理包含兩個(gè)方面： 1、在產(chǎn)生等離子體的過(guò)程中，高頻放電所產(chǎn)生的瞬間高能 量能夠打開(kāi)某些有害氣體分子的化學(xué)能，如：氨、三甲胺、 硫化氫、甲硫氫、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳和 苯乙烯，硫化物 H2S 、VOC 類，苯、甲苯、二甲苯的

9、分子 鏈結(jié)構(gòu)，使有機(jī)或無(wú)機(jī)高分子惡臭化合物分子鏈分解為單質(zhì) 原子或無(wú)害分子。2、等離子體中包含大量的高能電子、正負(fù)離子、激發(fā)態(tài)粒 子和具有強(qiáng)氧化性的自由基，這些活性粒子和部分廢氣分子 碰撞結(jié)合，在電場(chǎng)作用下，廢氣分子處于激發(fā)態(tài)，當(dāng)廢氣分 子獲得的能量大于其分子鍵能的結(jié)合能時(shí)，廢氣分子的分子 鍵斷裂，直接分解成單質(zhì)原子或由單一原子構(gòu)成得無(wú)害氣體 分子。同時(shí)產(chǎn)生的大量 -OH、 HO20等活性自由基和氧 化性極強(qiáng)的 O3 ，能與有害氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最后生 成無(wú)害產(chǎn)物。物理作用表現(xiàn)在具有荷電集塵作用。等離子體 中的大量電子與顆粒污染物發(fā)生非彈性碰撞并粘附其表面 從而使其荷電，在電場(chǎng)作用下，顆粒

10、污染物被集塵極收集。 生物作用表現(xiàn)在具有消毒殺菌之功效。機(jī)理為：等離子體中的正負(fù)粒子使微生物表面產(chǎn)生的電能剪切力大于其細(xì)胞膜 表面張力，致使細(xì)胞膜遭到破壞而導(dǎo)致微生物死亡 2。2.3 低溫等離子體催化技術(shù) （協(xié)同催化） 低溫等離子體催化技術(shù)就是指低溫等離子體的多相催化技 術(shù)也就是在低溫等離子體放電電極表面、反應(yīng)器內(nèi)表面、 或者在放電空間置入缺電子的異相介質(zhì)利用它對(duì)低溫等離 子體化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的催化作用來(lái)提高處理效率。在催化反 應(yīng)中主要包括：反應(yīng)物分子在催化劑表面的吸附、吸附分子 表面的化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)產(chǎn)物的脫附過(guò)程在放電狀態(tài)下低溫 等離子體空間富集了大量極活潑的高活性物種，如離子、高 能電子、激發(fā)

11、態(tài)的原子、分子和自由基等。這些高活性物種 在普通的熱化學(xué)反應(yīng)中不易得到但在低溫等離子體中可源 源不斷地產(chǎn)生 有機(jī)物分子在等離子體中降解主要有以下 3 個(gè)途徑：電子碰撞電離；自由基碰撞電離： 離子碰撞電離。低溫等離子體中的這些活性粒子的平均能量高于有 機(jī)物分子的鍵能它們和有機(jī)物分子發(fā)生頻繁的碰撞打開(kāi) 氣體分子的化學(xué)鍵。與有機(jī)物分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)同時(shí)由低 溫等離子體放電產(chǎn)生的紫外光也能夠促進(jìn)有機(jī)物分子的降 解當(dāng)催化劑置入等離子體場(chǎng)中時(shí)，電子能量、電子密度及 功率等物理參數(shù)受到催化劑的影響。粒子 f 電子、受激原子 和離子轟擊催化劑表面催化劑顆粒被極化并形成二次電 子發(fā)射，就會(huì)在表面形成場(chǎng)強(qiáng)加強(qiáng)區(qū)。另

12、外由于催化劑對(duì) 有機(jī)物有一定的吸附能力，在表面形成有機(jī)物的富集區(qū)這 樣就會(huì)在低溫等離子體和催化作用下迅速發(fā)生各種化學(xué)反 應(yīng)從而將有機(jī)物脫除 并且低溫等離子體中的活性物種， 特別是高能電子含有巨大的能量可以引發(fā)位于等離子體附 近的催化劑，并可降低反應(yīng)的活化能。同時(shí)催化劑還可選 擇性地與低溫等離子體產(chǎn)生的副產(chǎn)物反應(yīng)得到無(wú)污染的物 質(zhì)（如二氧化碳和水） 。因此，低溫等離子體與催化劑協(xié)同作 用時(shí)較直接催化劑法或單純低溫等離子體法具有更高的脫 除效率能更有效地減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生，提高反應(yīng)的選擇 性并由于吸附作用能進(jìn)一步降低反應(yīng)能耗，用該項(xiàng)技術(shù)處 理大氣污染具有以下特點(diǎn)：能耗低?？稍谑覝叵屡c催化劑反應(yīng)，無(wú)需

13、加熱，極大地節(jié) 約了能源，從而使成本大為降低無(wú)需外加原料，運(yùn)行費(fèi)用低；不產(chǎn)生副產(chǎn)物。催化劑可選 擇性地降解等離子體反應(yīng)中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物，能實(shí)現(xiàn)無(wú)害資 源化處理，無(wú)二次污染；設(shè)備使用便利，運(yùn)行可靠。集散控制， 維護(hù)簡(jiǎn)便； 尤其適于處理有氣味及大風(fēng)量的氣體。 該技術(shù)廣泛適用于以下行業(yè)：石油 化工、化纖、醫(yī)藥、煙 草、橡膠、食品、制革、噴漆 彩印、印鐵、溶劑清洗、制 鞋、涂膠、半導(dǎo)體工業(yè)、 垃圾場(chǎng)、家畜圈、牧場(chǎng)、糞肥處 理廠和水處理廠 等行業(yè)的廢氣中含有 NH 3 、 H 2 S 、 CS 2 、硫醇、硫醚、苯乙烯二甲二硫、三甲胺等有毒、惡 臭氣體； 涉及含碳燃料、卷煙的燃燒，會(huì)向大氣中排放碳 氧化

14、物 (CO 2 ，CO) 的行業(yè)，如煉焦、煉鋼、煉鐵等工業(yè)生 產(chǎn)行業(yè)；醫(yī)院、 賓館、寫(xiě)字樓、公共場(chǎng)所、居家的空氣消 毒、凈化；金屬加工、 飲食業(yè)油煙凈化方面 3 。3 等離子體技術(shù)在大氣污染防治中的具體應(yīng)用 大氣中的主要污染物有：總懸浮顆粒、飄塵、硫氧化物、氮 氧化物、硫化氫、氨、碳氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物 (VOCs) 等。 它們分別來(lái)自于生活污染源、工業(yè)污染源和交通污染源。由 于對(duì)氣體中污染物的治理主要是在常壓下進(jìn)行的，所以一般 采用在常壓下產(chǎn)生低溫等離子體的電暈放電和介質(zhì)阻擋放 電兩種形式，脈沖電暈放電系統(tǒng)原理如圖 3-1 所示。電源輸 出的直流高壓首先向儲(chǔ)能電容 C 充電，旋轉(zhuǎn)火花隙 G

15、導(dǎo)通 后， C 通過(guò)硅堆 D 和電感 L 向 C 充電，待到 G 導(dǎo)通后， C 形成高壓脈沖注入反應(yīng)器 Re 。1脈沖電暈放電系統(tǒng)原理圖 圖 3-1其中 C1 為儲(chǔ)能電容， D 為硅堆， L 為電感， G1,G2 為 火花隙開(kāi)關(guān)， Cp 為脈沖成型電容， Re 為反應(yīng)器。反應(yīng)器 Re 一般有線一板式和線一筒式兩種結(jié)構(gòu)。反應(yīng)器的基本結(jié) 構(gòu)如圖 3-2 所示 1：反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu) 圖 3-23.1 總懸浮顆粒、飄塵的凈化總懸浮顆粒物是指粒徑在 100 微米以下的顆粒物，簡(jiǎn)稱 TSP 。粒徑在 10 微米以下的浮游狀顆粒物，稱為飄塵。工 業(yè)廢氣中懸浮顆粒和飄塵以氣態(tài)和氣溶膠態(tài)長(zhǎng)期懸浮在空 氣中，對(duì)大

16、氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染， 其中粒徑在0.15微 米 的顆粒對(duì)人體危害最大 。從工業(yè)廢氣中將顆粒物質(zhì)分離 出來(lái)并加以捕集、回收的過(guò)程稱為除塵，實(shí)現(xiàn)除塵過(guò)程的設(shè) 備稱為除塵器或除塵裝置。目前應(yīng)用較多的除塵裝置主要有 機(jī)械式除塵器、濕式除塵器、電除塵器和過(guò)濾式除塵器等。 它們或因除塵效率低，或因有二次污染，或因工藝復(fù)雜，或 因運(yùn)行費(fèi)用高等原因而不能滿足日益加劇的大氣污染的處 理。等離子體技術(shù)作為一種高效、新型的除塵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 除塵脫硫脫硝一體化。其除塵原理是：通過(guò)電暈放電產(chǎn)生的 低溫等離子體，其中的電子和離子在梯度場(chǎng)的作用下和廢氣 中的顆粒物相互碰撞并附著在這些粒子上，使之成為荷電粒 子，在電場(chǎng)力

17、作用下向收塵極 （又稱集塵極 ）運(yùn)動(dòng)并在收塵極 上沉積，從而達(dá)到除塵的目的。靜電除塵中的電場(chǎng)是不均勻 的，不均勻是電場(chǎng)引起的放電。等離子體在針狀或者絲狀點(diǎn) 擊上加上高壓后發(fā)生的電暈是，高壓將周圍氣體電離形成的， 雖然看起來(lái)現(xiàn)象差不多，但是形成的機(jī)制是不同的3.2 脫硫、脫硝技術(shù) 在工業(yè)廢氣中，對(duì)環(huán)境影響最為嚴(yán)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質(zhì)燃燒產(chǎn)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 污染主要來(lái)源于生 產(chǎn)、生活中所用的煤、 石油

18、等燃料燃燒的產(chǎn)物 （包括汽車及一 切內(nèi)燃機(jī)燃燒排放的 NOx） ；其次是來(lái)自生產(chǎn)或使用硝酸的 工廠排放的尾氣。目前達(dá)到實(shí)用水平的脫硫、脫硝技術(shù)是濕 法脫硫、脫硝和觸媒還原法，但存在二次污染、設(shè)備腐蝕、 工藝復(fù)雜、投資大、運(yùn)行費(fèi)用高和副產(chǎn)物處理困難等缺點(diǎn)。 電子束輻射煙氣脫硫、脫硝技術(shù)處理效果好，處理規(guī)?？蛇_(dá) 150000 m3 h ，但因加速器造價(jià)昂貴，電子槍壽命短等原 因，至今未推廣使用。利用高壓高頻脈沖放電產(chǎn)生等離子體 進(jìn)行煙氣脫硫、脫硝，是 2O 世紀(jì) 8O 年代后期由日本首先 提出的。該技術(shù)利用高壓脈沖電源產(chǎn)生的高能電子，激活燃 煤煙氣中的二氧化硫和氮氧化物，同時(shí)加入氨作為反應(yīng)劑， 生

19、成硫酸銨和硝酸銨肥料 。與傳統(tǒng)的化學(xué)方法相比，該技 術(shù)具有成本較低、無(wú)二次污染，可同時(shí)脫硫、脫硝，形成的 副產(chǎn)品可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，并且可以與靜電除塵器等結(jié)合， 有較好的應(yīng)用前景。在歐共體重點(diǎn)資助下，意大利在熱電廠 已經(jīng)進(jìn)行了工業(yè)中間試驗(yàn)，注入氨氣作為調(diào)制劑，取得脫除60%-70%NOx 和 80% 二氧化硫。的結(jié)果。之后，美國(guó)、韓 國(guó)、加拿大、俄羅斯等國(guó)都對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工 作。我國(guó)在這方面的研究工作開(kāi)展得相對(duì)遲一些，但是也做 了大量的有價(jià)值的研究。鞍山靜電技術(shù)設(shè)計(jì)院應(yīng)用超高壓脈 沖電暈放電，在定向反應(yīng)條件下控制，使模擬工業(yè)（常壓，180 C ）中的3種有害氣體（二氧化硫，二氧化氮，

20、二氧化碳）分解率超過(guò) 80% 收塵效率高達(dá) 99% ，肯定了這種技術(shù)治理 工業(yè)煙氣的可行性。試驗(yàn)裝置采用的工藝流程見(jiàn)圖 3-3 ，由 煙氣預(yù)處理系統(tǒng)、電源和反應(yīng)器系統(tǒng)、氨投加裝置、副產(chǎn)物 收集裝置、測(cè)控系統(tǒng) 5 個(gè)主要部分組成。處理用煙氣分別取 自電廠水膜除塵器前和水膜除塵器后。煙氣經(jīng)冷卻塔降溫增 濕后，送至反應(yīng)器，噴入氨氣。高壓電源對(duì)反應(yīng)器放電產(chǎn)生 脈沖電暈，經(jīng)處理的煙氣被輸送至副產(chǎn)物收集器，回收煙氣 中的硫酸銨和硝酸銨。處理后的煙氣經(jīng)排風(fēng)機(jī)從煙囪排人大 氣4-7 。工藝流程圖 3-3低溫等離子體處理廢氣工藝流程圖 3-43.3 硫化氫，二硫化碳，氨氣等惡臭氣體的處理 自然界中，大約有 30

21、0 種可以發(fā)出異臭、異味的物質(zhì)。硫化 氫、二硫化碳 和氨氣。是最常見(jiàn)的異臭、異味氣體。通常 能夠產(chǎn)生硫化氫、二硫化碳 和氨氣的污染源有：垃圾場(chǎng)、 家畜圈、牧場(chǎng)、糞肥處理廠和水處理廠等。傳統(tǒng)的惡臭凈化 方法有稀釋法、燃燒法、洗滌法、吸附法和催化轉(zhuǎn)化法等， 這些方法都具有凈化不夠徹底、凈化氣體種類少、能耗高、 操作要求高、易受雜質(zhì)干擾等缺點(diǎn)。低溫等離子體技術(shù)處理 惡臭氣體是近年來(lái)興起的新的處理低濃度氣態(tài)污染物的方 法。等離子體去除惡臭的原理主要有兩個(gè)：其一是利用高能 電子的瞬時(shí)高能量來(lái)打開(kāi)有害氣體分子的化學(xué)鍵，使之直接 分解成單質(zhì)原子或無(wú)害分子； 其二是在大量高能電子、 離子、 激發(fā)態(tài)粒子和自由基

22、等活性粒子的作用下氧化分解。一般來(lái) 說(shuō)，主要有三個(gè)過(guò)程： (1) 在高能電子的作用下，產(chǎn)生強(qiáng)氧化 性自由基如 O、OH、HO2 等； (2)有機(jī)物分子與高能電子發(fā) 生非彈性碰撞，獲取能量而進(jìn)入激發(fā)態(tài)，進(jìn)而化學(xué)鍵斷裂， 分解成小碎片基團(tuán)和原子； (3) 第一步產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性自由基 O、OH 、HO2 等與激發(fā)原子、有機(jī)物分子、破碎基團(tuán)、其 它自由基等發(fā)生一系列反應(yīng)，使有機(jī)物分子最終被氧化降解 為簡(jiǎn)單的 CO 、 CO2 、H2O 。這一步的去除率高低與電子的能量高低及有機(jī)物分子化學(xué)鍵能的大小有關(guān)目前我國(guó)上海第一化學(xué)纖維廠排放的含硫惡臭廢氣具 有高流速、大流量和低濃度的特點(diǎn)。該廠處理的中試裝置主

23、體由 10 根長(zhǎng)度為 300 mm 介質(zhì)阻擋放電管組成，其在常壓 下能產(chǎn)生低溫等離子體，有效地去除了 H2S ，CS2 ，目前 已成功地運(yùn)行了 1 000 h 以上，用事實(shí)說(shuō)明了該方法的實(shí)用 性和可靠性 8 。3.4 碳氧化物的轉(zhuǎn)化 大氣中的碳氧化物 (CO2 ，CO) 主要來(lái)源于含碳燃料、 卷煙的 燃燒，其次來(lái)源于煉焦、煉鋼、煉鐵等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。一氧 化碳對(duì)人體有強(qiáng)烈的毒害作用，二氧化碳雖然對(duì)人體沒(méi)有毒 害，但過(guò)度地排放二氧化碳將導(dǎo)致溫室效應(yīng)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì) 碳氧化物的處理基本上沒(méi)有行之有效的方法，只是從污染源 的角度來(lái)考慮，控制減少碳氧化物的排放。低溫等離子體中 的 O 對(duì) CO 具有清除作

24、用， 將 CO 氧化為 CO 2 ，再將 CO 2 轉(zhuǎn)化為 CO 2 、醇、烴、醚、醛、碳酸二甲酯、甲酸及其 衍生物等 9 。3.5 揮發(fā)性有機(jī)物 (VOCs) 的處理 揮發(fā)性有機(jī)物 (VOCs) 是一類有機(jī)化合物的統(tǒng)稱， 指室溫下飽 和蒸汽壓超過(guò)70. 91 Pa或沸點(diǎn)小于260 C的有機(jī)物 。大 氣中的 VOCs 主要有苯系物、 有機(jī)氯化物、 氟利昂、有機(jī)醛、 有機(jī)酮等。利用低溫等離子體處理 V0Cs ，就是使低溫等離 子體中的高能電子與 VOCs 分子產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)， 從而 將 VOCs 轉(zhuǎn)化或降解為無(wú)害物質(zhì)的方法。 低溫等離子體處理 VOC 主要有電子束照射法、介質(zhì)阻擋放電法、沿面

25、放電法 和電暈放電法等 10 。(1) 電子束放電法：電子束照射法是通過(guò)電子加速器(電子槍 )產(chǎn)生高速高能的電子束，通過(guò)電離、激發(fā)等一系列自由基的 反應(yīng)，將有機(jī)物去除。 電子束放電法能有效降解 VOCs 。，其 處理效率與污染物的初始濃度、有機(jī)物分子組成結(jié)構(gòu)、水蒸 氣含量和濕度等有關(guān)。(2) 介質(zhì)阻擋放電法： 介質(zhì)阻擋放電是將絕緣介質(zhì)插入反應(yīng)器 的放電空間中，是一種高氣壓下的非平衡放電過(guò)程。常用的 絕緣介質(zhì)有陶瓷、玻璃和石英等。介質(zhì)阻擋放電法是目前最 有效的產(chǎn)生等離子體的方法。其處理效率與溫度、氣壓、水 蒸氣濃度、填充物和背景氣體的性質(zhì)等因素有關(guān)。介質(zhì)放電 反應(yīng)器可在常壓或高壓下工作。(3)

26、面放電法：沿面放電反應(yīng)器的主體為結(jié)構(gòu)致密的陶瓷(陶瓷管或陶瓷板 )，在陶瓷內(nèi)部埋有金屬板作為接地極， 陶瓷一 側(cè)的沿面上布置導(dǎo)電條作為高壓電極，另一側(cè)作為反應(yīng)器的 散熱面；在中高頻電壓的作用下，放電從放電極沿陶瓷沿面 延伸，在陶瓷沿面形成許多細(xì)微的流注通道，進(jìn)行放電，使 氣體被去除 J 。此法對(duì)于甲苯、丙酮、氯氟烴等有機(jī)廢氣具 有良好的處理效果，適用于三氯甲烷等難降解有機(jī)物的處理工藝。但該技術(shù)的電源頻率較高，達(dá)到千赫級(jí)，所以其能量 效率并不高。(4) 電暈放電法： 電暈放電是通過(guò)在曲率半徑很小的電極上施 加高電壓，發(fā)生非均勻放電的一種放電形式。該法能在常溫 常壓下進(jìn)行，具有功率和能耗低的優(yōu)點(diǎn)。

27、電暈放電法多用于 煙道氣的脫硫和脫硝， 去除空氣中的 VOCs 、硫化氫和鹵代 烴等，包括脈沖電暈放電、直流電暈放電和交流電暈放電。3.6 室內(nèi)空氣的凈化 加拿大環(huán)衛(wèi)組織研究發(fā)現(xiàn)： 人類 68% 的疾病是由于室內(nèi)空氣 污染造成的。室內(nèi)空氣污染的數(shù)量多、成分復(fù)雜、按照室內(nèi) 污染物性質(zhì)可歸納為三類：有機(jī)揮發(fā)性有害氣體 VOCS ，細(xì) 菌、真菌、病毒污染物和顆粒污染物。由于室內(nèi)空氣污染與 大氣空氣污染所處的環(huán)境不同，其污染特點(diǎn)也不同，室內(nèi)空 氣污染具有如下特點(diǎn)： 第一，影響范圍廣。 涉及人群數(shù)量大， 影響范圍包括：居室環(huán)境、辦公環(huán)境、交通工具環(huán)境、休閑 場(chǎng)所等，而涉及人群幾乎包括整個(gè)年齡組。第二，接

28、觸時(shí)間 長(zhǎng)。人一生在室內(nèi)度過(guò)的時(shí)間占 8090%, 即使室內(nèi)有濃度 很低的污染物，在長(zhǎng)期作用于人體后，也會(huì)影響人體健康。 第三，污染物種類多。室內(nèi)空氣中的污染物既有化學(xué)性污染 物如甲醛、氨水、苯、甲苯、一氧化碳等；生物性污染物， 如細(xì)菌、真菌等；還有物理性污染，如煙氣、塵埃等顆粒污 染物。第四，污染物濃度高。由于室內(nèi)是個(gè)較封閉的環(huán)境， 在沒(méi)有或少量通風(fēng)時(shí)，污染物不能排放到室外，大量污染物 在室內(nèi)囤積。嚴(yán)重時(shí)，室內(nèi)污染物濃度可超過(guò)室外幾十倍， 甚至高達(dá)上百倍。第五，污染物排放周期長(zhǎng)。一些污染物能 不斷地從裝修材料中釋放出來(lái)，排放周期長(zhǎng)。有研究表明室 內(nèi)甲醛的釋放可達(dá)十幾年之久，而對(duì)于放射物質(zhì)導(dǎo)致

29、的污染， 其危害時(shí)間則更長(zhǎng)。因?yàn)槭覂?nèi)空氣污染累積性、長(zhǎng)期性、多 樣性以及如上的一些特點(diǎn)，治理室內(nèi)空氣污染的方法也是多 種多樣，總的來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的室內(nèi)空氣污染凈化方法，如物理 吸附、過(guò)濾，化學(xué)等方法，已無(wú)法滿足室內(nèi)污染治理過(guò)程中 同時(shí)處理微細(xì)顆粒 （物理污染）、處理毒害氣體 （NOX 、SOX 、 VOCS 等化學(xué)污染 ）、殺菌（生物污染）等多方面要求。而在 低溫等離子體凈化空氣的機(jī)理中，同時(shí)涉及的效應(yīng)包括： 化學(xué)效應(yīng) 等離子體中包含的大量高能且活性極強(qiáng) 的自由基跟有害氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或打開(kāi)有害氣體的 化學(xué)鍵生成無(wú)害產(chǎn)物。生物效應(yīng) 靜電作用在細(xì)菌、病毒等微生物表面形成 剪切力，能夠破壞微生物細(xì)

30、胞膜，從而起著滅菌的作用，此 外負(fù)離子增加人體對(duì)氧的吸收，使空氣更清新，同時(shí)能夠調(diào) 節(jié)離子平衡。物理效應(yīng) 大量電子、正負(fù)離子與空氣中的顆粒污染 物發(fā)生非彈性碰撞， 使之成為荷電離子， 在電場(chǎng)力的作用下， 被集塵極收集。因此低溫等離子體凈化技術(shù)是一個(gè)集物理學(xué)、化學(xué)、生 物學(xué)和環(huán)境科學(xué)于一體的交叉綜合性技術(shù)，其顯著特點(diǎn)是對(duì) 室內(nèi)污染物兼具物理作用、化學(xué)作用和生物作用，具有費(fèi)用 低、凈化效率高等明顯優(yōu)點(diǎn)，由此人們開(kāi)發(fā)了低溫等離子體 空氣凈化器 ,低溫等離子體中央空調(diào)空氣凈化裝置等空氣凈 化裝置 ,以滿足人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境潔凈的要求。 低溫等離子體空氣凈化器針對(duì)人民對(duì)居室、辦公、娛樂(lè)場(chǎng)所、交通工具等室內(nèi)環(huán)

31、 境的關(guān)注程度日益增加，各種凈化措施和設(shè)備也競(jìng)相出現(xiàn)， 在環(huán)境治理中充當(dāng)著重要的角色。但總的來(lái)說(shuō)，這些設(shè)備都 是針對(duì)環(huán)境污染治理的某一方面，要么是凈化室內(nèi)有害氣體， 要么是沉降室內(nèi)較大顆粒物，要么只是清新空氣，這從根本 上并未解決室內(nèi)環(huán)境污染多元化，綜合化問(wèn)題。而考慮到低 溫等離子體凈化空氣的方法與傳統(tǒng)的單一凈化方法相比，它 綜合了凈化有害氣體，去除顆粒污染和調(diào)節(jié)離子平衡的作用， 根據(jù)低溫等離子體凈化空氣的原理可開(kāi)發(fā)并適合于室內(nèi)使 用的獨(dú)立空氣凈化器，將滿足人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境潔凈的要求。 低溫等離子體中央空調(diào)空氣凈化裝置 目前各種樓宇都采取封閉型，利用中央空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)溫濕度 和潔凈度， 由于整個(gè)系

32、統(tǒng)又只有 10% 的新風(fēng)補(bǔ)充， 加之室內(nèi) 電器設(shè)備、裝飾材料及人員活動(dòng)產(chǎn)生的有毒有害氣體、飄塵 及細(xì)菌等污染物質(zhì)，使得室內(nèi)空氣質(zhì)量日趨下降，不少人們 便出現(xiàn)眼睛、咽喉刺激、鼻塞、頭痛、頭暈、胸悶、嗜睡等 癥狀，上海某環(huán)保公司將低溫等離子體與中央空調(diào)空組合配 套使用，開(kāi)發(fā)了低溫等離子體中央空調(diào)空氣凈化裝置，能夠 利用低溫等離子體凈化空氣的作用解決中央空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng) 補(bǔ)充不足而導(dǎo)致室內(nèi)空氣品質(zhì)低下的問(wèn)題，應(yīng)用前景非常廣。 低溫等離子體凈化技術(shù)在煙氣排放治理中的應(yīng)用 低溫等離子體凈化技術(shù)可應(yīng)用于煙氣排放的治理中，如柴油 機(jī)（車）排煙的凈化治理等。柴油機(jī)（車）排放的污染物主 要包括：碳煙C、一氧化碳CO

33、、氮氧化物NOX和碳?xì)浠?物 HC 。通過(guò)等離子體荷電后的煙氣顆粒物在電場(chǎng)的定向作 用下，能被收集到收塵極板上。凈化效率可達(dá) 80% 以上 12-15 。3.7 汽車尾氣凈化 車尾氣污染是一個(gè)全球性問(wèn)題，加之現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展迅速， 人民生活水品提高，汽車總量已經(jīng)上升到達(dá)一定的高度，而 且由于汽車相對(duì)集中在城市 ,單車排放因子高 ,故汽車排放 的黑煙 （顆粒物 ） 、 NOX 、 CO 和 HC 等已成為城市地區(qū)的 主要大氣污染物。等離子體技術(shù)用于汽車尾氣污染治理主要 有兩種方式 ,即機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈。前者的原理是將空氣離子化,即將空氣送入內(nèi)燃機(jī)之前 ,利用低溫等離子體臭氧發(fā)生器將空氣中的氧轉(zhuǎn)

34、化為臭 氧 ,然后進(jìn)入燃燒室便分解為負(fù)氧離子, 使火焰膨脹 ,促進(jìn) 燃燒 ,從而提高了反應(yīng)速率。 機(jī)外凈化技術(shù)要有電暈放電、 介電位壘放電、 沿面放電等 幾種形式 ,利用等離子體體系中的活性物種強(qiáng)化 （催化 ）氧化 還原反應(yīng) , 將汽車尾氣中的有害物質(zhì)通過(guò)氧化、 還原或離 解而轉(zhuǎn)化為無(wú)害或低害物質(zhì)以達(dá)到降低環(huán)境污染的目的。其 中介電位壘放電可在低溫條件下實(shí)現(xiàn) HC 、 CO 、 NOX 和 SO2 的氧化 ,可捕集顆粒物 ,是處理汽車尾氣的一項(xiàng)新穎 技術(shù) 18 。4 等離子體處理與常規(guī)處理之間的比較 治理空氣污染的方法是多種多樣的，根據(jù)不同作用原理，其 治理方法有：物理吸附法、化學(xué)法、光催化分

35、解法、離子化 法、濕式除氣法、低溫等離子體處理法等。各種空氣凈化法 各有優(yōu)缺點(diǎn)，下文將通過(guò)比較說(shuō)明：4.1 常規(guī)處理方法優(yōu)缺點(diǎn) 物理吸附法原理為氣體與固體吸附劑依靠范德華力的吸引 作用而被吸附住。主要用于去除空氣中的飄塵、氨氣、二氧 化碳、硫化氫和揮發(fā)性有機(jī)化合物等。但這些材料對(duì)去除二 氧化碳、一氧化碳的效果不大，除臭也比較困難，并且吸附 容易達(dá)到飽和，已經(jīng)吸附的有害氣體，在一定條件下又會(huì)重 新釋放出來(lái)，再者由于吸附劑在使用一段時(shí)期以后便失去活性，必須要定期清洗或更換，所以運(yùn)行費(fèi)用較高，不適合大 規(guī)模的應(yīng)用。 濕式除氣法其原理是當(dāng)含灰氣流沖擊到擋板上時(shí)，氣流中沉 降力大的塵粒被分離出來(lái)。雖然凈

36、化效果較前者有了提高， 但工藝流程復(fù)雜，且影響因素過(guò)多不易控制。 化學(xué)法可分為三種： （1）中和法、（2）氧化法、（3）催化法。 原理基本是利用相對(duì)應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)， 優(yōu)缺點(diǎn)很明顯， 如（ 1） 中和法優(yōu)點(diǎn)是吸附牢固、 反應(yīng)不可逆， 缺點(diǎn)是消耗試劑較多， 使用壽命較短。 （ 2）氧化法優(yōu)點(diǎn)是效率高，反應(yīng)不可逆。缺 點(diǎn)是消耗試劑較多，過(guò)剩的氧化劑容易造成二次污染。 （ 3） 催化法缺點(diǎn)是空氣中不允許有使催化劑本身發(fā)生反應(yīng)的物 質(zhì)，并且催化劑的價(jià)格也比較貴，不適合在大規(guī)模生產(chǎn)中應(yīng) 用。 光催化法是在光的催化下將吸收的光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能， 使許多通常情況下難以實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)在常溫、常壓的條件下能 夠順利進(jìn)行。利用紫外光源，將 TiO2 光催化劑對(duì)室內(nèi)的有 害氣體及異味氣體等通過(guò)光催化反應(yīng)徹底分解為無(wú)臭、無(wú)害 的產(chǎn)物，同時(shí)可殺滅空氣中的細(xì)菌、病毒。與其他凈化技術(shù) 結(jié)合，光催化是一種具有應(yīng)用前途的室內(nèi)空氣凈化技術(shù) 11 。4.2 等離子體處理法優(yōu)缺點(diǎn) 低溫等離子體處理法具有能耗低，可在室溫下與催化劑反應(yīng)， 無(wú)需加熱，極大地節(jié)約了能源，從而使成本大為降低 無(wú)需 外加原料，運(yùn)行費(fèi)用低； 不產(chǎn)生副產(chǎn)物，催化劑可選擇性 地降解等離子體反應(yīng)中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物，能實(shí)現(xiàn)無(wú)害資源化 處理，無(wú)二次污染；設(shè)備使用便利， 運(yùn)行可靠的特點(diǎn)，但 是鑒于目前技術(shù)方面的不成熟，尚不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)