等離子體及其處理室內(nèi)污染物VOCs

目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要 1\o"CurrentDocument"等離子體的概念 1\o"CurrentDocument"等離子體的產(chǎn)生 1\o"CurrentDocument"非平衡低溫等離子體的概念 2等離子體的概念 2等離子體的分類 2\o"CurrentDocument"非平衡低溫等離子體處理VOCs原理 3\o"CurrentDocument"M（背景氣） 3原理 4低溫等離子體發(fā)生技術(shù) 4\o"CurrentDocument"影響凈化效率的因素 5\o"CurrentDocument"不足與改進 5\o"CurrentDocument"不足 6改進 6\o"CurrentDocument"參考文獻 6等離子體及其處理室內(nèi)污染物VOCs摘要：本文從等離子體產(chǎn)生及其概念、等離子體處理污染物VOCs的原理、等離子體發(fā)生技術(shù)、影響其凈化效率的因素及其處理污染物VOCs的不足、改進等方面出發(fā)。對等離子體及其處理室內(nèi)污染物VOCs做出了全面簡單的介紹。關(guān)鍵詞：等離子體、VOCs、自由基；等離子體的概念等離子體的產(chǎn)生等離子體被稱為物質(zhì)氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的第四種形態(tài)。當外加能量如電場能、熱能加到氣體分子上時發(fā)生以下兩種碰撞形式：(1)彈性碰撞：電子的動能不會發(fā)生改變；(2)非彈性碰撞：處于基態(tài)的電子受激發(fā)，躍遷到激發(fā)態(tài)，隨后又將自身所帶有的高能量以光子形式發(fā)射出來，而自身回到基態(tài)；電子在外加能量的作用下掙脫原子核對核外電子的束縛，逃逸出來，成為具有高位能高動能的自由電子。在等離子體氣體中，以電子碰撞雙原子分子XY為例，若碰撞能量小，則會發(fā)生彈性碰撞，電子的動能不會改變。若碰撞能量很高，分子中繞核運動的低能電子，就會在碰撞中獲得足夠的能量，被激發(fā)至離核較遠的高能級軌道上運動。我們把這種高能級狀態(tài)的分子稱為激發(fā)態(tài)分子，用XY*表示。激發(fā)態(tài)分子中的電子從高能級跳回到低能級時，便以發(fā)光的形式發(fā)出多余能量(輝光放電)，這個過程稱為“退激”若碰撞電子能量足夠高，電子吸收的能量就可以使其脫離核的束縛而成為自由電子，也就是分子發(fā)生了“電離”，用XY+表示。電子對分子XY的碰撞也可以使之分解成為X原子和Y原子(離解/裂解)。用“：表示分子中成鍵的電子對,離解過程可以表示為X:YfX+Y.這樣帶有未成對電子的X,Y就容易發(fā)生化學反應(yīng)，故稱為化學活性或集團。NncleiisNucleusImpactelectronEditedState仃丙兀ueGiijuudNncleiisNucleusImpactelectronEditedState仃丙兀ueGiijuudGi?oiuidedelectronA* ―"A+-hv(Pliotos)(impactf：xcitcdelecu-otielcclTDli?——一°zNncleiiXB八―I.1 !ffl1-1等離子體產(chǎn)生過程Multi;ukFreeRadicals*'OrbiolElectronzNncleiiXB八―I.1 !ffl1-1等離子體產(chǎn)生過程Multi;ukFreeRadicals*'OrbiolElectronFlCEtlDIiFlections導(dǎo)電性高速粒子產(chǎn)生高溫子和固體表面的碰撞等離了體的基木反應(yīng)過程等離子體特性煦用激發(fā)：等離了體的基木反應(yīng)過程等離子體特性煦用激發(fā)：XY+e->XY^+e退激:XY^^XY+hv（光子）發(fā)光特性＜光學應(yīng)用〉離解：XY+e->X+Y+e化學活性＜化學應(yīng)用〉電離：XY+e^XY*+2e導(dǎo)電性＜電氣應(yīng)用:＞X+4-Y+2e電子和離子在電場中受加速高速粒子＜力學應(yīng)用＞?！洪g的碰撞產(chǎn)生熱效應(yīng)、粒子和固體表血的碰撞產(chǎn)生高溫＜熱學應(yīng)用A表1-1等離子體的基本反應(yīng)過程1.2非平衡低溫等離子體的概念等離子體的概念等離子體被認為是除固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)以外的第四種物質(zhì)存在形態(tài)，其特征是內(nèi)含大量高能電子、正負離子、自由基等活性粒子,可用于氣態(tài)污染物的高級氧化.等離子體的分類高溫等離子體:等離子體溫度分別用電子溫度和離子溫度表示，兩者相等稱為高溫等離子體；不相等則稱低溫等離子體。高溫等離子體只有在溫度足夠高時發(fā)生的。恒星如太陽就是一個等離子體。在高溫條件下，各種粒子會通過激烈碰撞而充分交換動能，從而使得整體達到熱平衡狀態(tài)。低溫等離子體:低溫等離子體是在常溫下發(fā)生的等離子體。等離子體形成過程中電子能量溫度達到1-20eV,而其它較大質(zhì)量的粒子則溫度較低，接近于室溫狀態(tài)。系統(tǒng)內(nèi)粒子間的能量分布遠未到達平衡，這是因為在低溫等離子體系中，各種粒子的質(zhì)量不同，運動速率不同，所以電子溫度與離子溫度是各不相同的，所以它整體是處于非熱平衡狀態(tài)。非平衡低溫等離子體處理VOCs原理從時域上講,低溫等離子體引發(fā)的化學反應(yīng)大致可以分為以下幾個過程：首先是皮秒級的電子雪崩；緊接著在納秒級,不同能量溫度狀態(tài)的電子通過旋轉(zhuǎn)激發(fā)、振動激發(fā)、激發(fā)、離解和電離等非彈性碰撞形式將內(nèi)能傳遞給氣體分子后一部分以熱量的形式散發(fā)掉,另一部分則用于產(chǎn)生自由基等活性粒子；接下來是微秒級的自由基及正負離子間的線性或非線性鏈反應(yīng)；最后是毫秒到秒量級的分子間熱化學反應(yīng)。在皮秒和納秒時域內(nèi)主要發(fā)生的是高能電子與分子的碰撞和自由基等活性物質(zhì)的生成過程。微秒級的自由基及正負離子間的線性或非線性鏈反應(yīng)；毫秒到秒量級的分子間熱化學反應(yīng)［1］。M（背景氣）等離子體引發(fā)的化學反應(yīng)過程主要取決于背景氣成分。放電反應(yīng)過程中參與反應(yīng)的氣體絕大部分為背景氣體，如N、0，導(dǎo)致在放電過程中背景氣體分子由22基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，產(chǎn)生了許多激發(fā)態(tài)的高能氧原子，如OGP）、oGd），同時在放電過程中還會形成N、N*、OH等活性基團。這些高能電子和活性基團的形成均2直接或間接的參與等離子體的反應(yīng)，從而提高污染物分子的分解和氧化率［2］。電子與氫氣分子的作用；宀0尸0「（無兀）+2廣曠斗Q—O「（才耳）+2曠曠（沖）+0（⑦）+曠曠+Q 卡0（；D）十小0.廣丁">02電子與氮氣分子的作用：礦+阿TJV「(於)+2疔

e'+N2^N{*S)卜汛切}+擴

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括號里描述的是各物種的能級狀態(tài)原理自由基產(chǎn)生 玄4I:..R自由基與目標污染物的反應(yīng)⑶自由基的線性消耗 P丁 B⑷自由基的非線性消耗其中B、C和D代表產(chǎn)物，A代表背景氣,，P■代表污染氣體，R代表自由基。圖2-1非平衡低溫等離子體處理VOCs原理低溫等離子體發(fā)生技術(shù)典型的等離子體處理有機廢氣工藝有無聲放電(SDR)、脈沖電暈放電(PCR)和填充床式反應(yīng)器(FDR)。以上幾種工藝均靠放電區(qū)域產(chǎn)生的高能量密度的流光等離子體治理廢氣。而臭氧產(chǎn)生量是一種有效的評估等離子體效率的方法。; 流光直流電暈放電一VL—輝光脈沖電暈放電交直流疊加流光放電圖3-1電暈供電方式影響凈化效率的因素自由基產(chǎn)額(G值)：采用波爾茲曼方程描述電子運動速度和方向的時空分布,計算出雪崩過程中電子的能量分布方程,結(jié)合電子-氣體碰撞截面參數(shù)可得到不同場強和氣體成分下的G值。自由基擴散根據(jù)氣體擴散方程：害(為流光等離子體的直徑,一般在0.1-0.5mm，為氣體擴散常數(shù),0.3-1cm2/s),d自由基的擴散常數(shù)大致在100-lOOOUm,而其壽命往往可達150微秒左右，因此一般被認為自由基可以從流光通道中擴散到氣相中。然而,由于氣體流速一耐和湍流度的限制,它們又很難與氣流充分混合影響了凈化效率。自由基引發(fā)化學反應(yīng)效率：盡管自由基的產(chǎn)量隨著濕度的增高而增大,然而與此同時消耗速度也更快，在lOOUs后反而還是低濕度時濃度高O自由基的碎滅速度隨著濕度和氧氣濃度的增加而增加在空氣中放電產(chǎn)生的O自由基濃度比OH自由基多2個數(shù)量級。不足與改進5.1不足臭氧的產(chǎn)生過程往往被認為是O自由基的消耗，而HO的生成則被認為是OH22自由基的線性消耗；產(chǎn)生多種副產(chǎn)物，在有機氣體凈化過程中產(chǎn)生的氣相副產(chǎn)物多為醛類、有機酸類,這些副產(chǎn)物與0、OH自由基的反應(yīng)速度有時比所需凈化的有機氣體本身更快，不僅產(chǎn)生二次污染，還有可能降低有機氣體的處理效率；能耗較高；在某些反應(yīng)條件下亦有出現(xiàn)一些可逆反應(yīng)如：改進等離子體協(xié)同催化劑提高凈化效果同時抑制副產(chǎn)物的生成以及復(fù)合污染物的同時控制技術(shù)該技術(shù)結(jié)合了等離子體的高反應(yīng)活性和催化劑的高反應(yīng)選擇性，在室溫下即可通過等離子體活化催化劑，顯著提高了VOCs降解的能量效率，同時抑制副產(chǎn)物的生成