低溫等離子體技術在環(huán)保方面的應用研究進展樣本

低溫等離子體技術在環(huán)保方面應用研究進展**摘要：本文簡介了等離子體有關概念及產生原理，對低溫等離子體技術在環(huán)境治理方面應用研究進展做了概述，內容涉及低溫等離子體技術對廢水和廢氣凈化解決。核心字：低溫等離子體；環(huán)保；技術1、引言等離子體(Plasma)一種由自由電子和帶電離子為重要成分物質形態(tài)，廣泛存在于宇宙中，也是宇宙中豐度最高物質形態(tài)[1][2]，常被視為是物質第四態(tài)(另一種第四態(tài)是液晶體)，被稱為等離子態(tài)，或者“超氣態(tài)”，也稱“電漿體”。等離子體具備很高電導率，與電磁場存在極強耦合伙用。等離子體是由克魯克斯在1879年發(fā)現(xiàn)，1928年美國科學家歐文·朗繆爾和湯克斯（Tonks）初次將Plasma一詞引入物理學，用來描述氣體放電管里物質形態(tài)[3],Plasma是源自希臘文，意為可形塑物體，此字有隨著容器形狀變化自身形狀之意，如燈管中檔離子體會隨著燈管形狀變化自身形狀。嚴格來說，等離子體是具備高位能高動能氣體團，等離子體總帶電量仍是中性，借由電場或磁場高動能將外層電子擊出，成果電子已不再被原子核束縛，而成為高位能高動能自由電子。1.1、等離子體形成原理等離子體普通被視為物質除固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外存在第四種形態(tài)。如果對氣體持續(xù)加熱，使分子分解為原子并發(fā)生電離，就形成了由離子、電子和中性粒子構成氣體，這種狀態(tài)稱為等離子體。除了加熱之外，還可以運用如加上強電磁場等辦法使其解離。當外加電壓達到氣體著火電壓時，氣體被擊穿，產生涉及電子、各種離子、原子核自由基在內混合體。放電過程中雖然電子溫度很高，但重粒子溫度很低，整個體系呈現(xiàn)低溫狀態(tài)，這時等離子體稱為低溫等離子體。1.2、等離子體性質等離子體與氣體性質差別很大，等離子體中起主導作用是長程庫侖力，并且電子質量很小，可以自由運動，因而等離子體中存在明顯集體過程（collectivebehavior），如振蕩與波動行為。等離子體中存在與電磁輻射無關聲波，稱為阿爾文波。等離子態(tài)常被稱為“超氣態(tài)”，它和氣體也有諸多相似之處，例如：沒有擬定形狀和體積，具備流動性，但等離子體也有諸多獨特性質。等離子體中粒子具備群體效應，只要一種粒子擾動，這個擾動會傳播到每個等離子體中電離粒子。等離子體自身亦是良導體。1.3、等離子體和氣體比較等離子體和普通氣體最大區(qū)別是它是一種電離氣體。由于存在帶負電自由電子和帶正電離子，有很高電導率，和電磁場耦合伙用也極強：帶電粒子可以同電場耦合，帶電粒子流可以和磁場\o"磁場"耦合。描述等離子體要用到電動力學，并因而發(fā)展起來一門叫做磁流體動力學理論。和普通氣體不同是，等離子體包括三到四種不同構成粒子：自由電子、帶正電離子、中性氣體原子（未電離原子）和自由基。因而可以針對不同組分定義不同溫度：電子溫度和離子溫度。輕度電離等離子體，離子溫度普通遠低于電子溫度，稱之為“低溫等離子體”。高度電離等離子體，離子溫度和電子溫度都很高，稱為“高溫等離子體”。相比于普通氣體，等離子體構成粒子間互相作用也大諸多。等離子體常稱為固體、液體及氣體以外第四相[8][9]。但其特性和其她能量較低物質狀態(tài)有明顯不同。等離子體和氣體都沒有一定形狀及體積，但兩者仍有如下不同之處：性質氣體等離子體電導率非常?。嚎諝馐橇己媒^緣體，在電場強度超過30kV/cm時會分解為等離子體[10]。普通很大：在許多應用中，會假設等離子體電導率為無限大。其中不同行為粒子種類數(shù)1：所有氣體粒子行為類似，都受引力及其她粒子碰撞影響。2或3：電子、離子、質子和中子其電荷大小及符號不同，因而有獨立行為，也有不同溫度及速度，會有某些特殊波動及不穩(wěn)定性。速度分布麥克斯韋-玻爾茲曼分布：粒子碰撞會導致氣體粒子麥克斯韋-玻爾茲曼分布，其中很少有高能量粒子。非麥克斯韋分布：熱等離子體碰撞互相作用不強，以外力影響為主，因而會有明顯比例粒子有非常迅速度。互相作用二個粒子：重要以二個粒子之間作用為主，三個粒子碰撞很少見。集體性：波動或是等離子體有組織作用非常重要，由于遠距離粒子之間，會因電場及磁場而互相影響。1.4、常用等離子體等離子體是宇宙中存在最廣泛一種物態(tài)，當前觀測到宇宙物質中，99%都是等離子體，雖然分布范疇很稀薄。常用等離子體形態(tài)人造等離子體地球上等離子體太空和天體物理中檔離子體熒光燈，霓虹燈燈管中電離氣體圣艾爾摩之火太陽和其她恒星（其中檔離子體由于熱核聚變供應能量產生）核聚變實驗中高溫電離氣體火焰（上部高溫某些）太陽風電焊時產生高溫電弧，電弧燈中電弧閃電行星際物質（存在于行星之間）火箭噴出氣體球狀閃電星際物質（存在于恒星之間）等離子顯示屏和電視大氣層中電離層星系際物質（存在于星系之間）太空飛船重返地球時在飛船熱屏蔽層前端產生等離子體極光木衛(wèi)一與木星之間流量管在生產集成電路用來蝕刻電解質層等離子體中高層大氣閃電吸積盤等離子球星際星云2、等離子體化學理論及其應用研究

2.1、等離子體化學理論

等離子體是高度電離氣體，它由電子、離子、原子及分子構成混合氣體，整個體系正負電荷相等而呈中性，具備與普通氣體不相似性質，其內電子、離子、甚至中性粒子普通都具備較高能量，所進行各種化學反映，都是在高激發(fā)態(tài)下進行，完全不同于典型化學反映。這樣使等離子體內原子或分子本性普通都發(fā)生變化，如惰性氣體化學活潑性也會變得很強，能生成XeF6和O2F2等。地球上等離子體只能在實驗條件下產生，氣體放電是最慣用人工產生等離子體辦法，還可以用微波加熱、激光加熱、高能粒子轟擊辦法產生等離子體。例如氘氣在溫度高到105K時，就形成電子和氘核構成等離子體，這時氣壓可高達常壓1360倍。然而等離子體在自然界卻是大量存在，宇宙中絕大多數(shù)（或99%以上物質，都是以等離子狀態(tài)存在）。恒星和星際空間物質，絕大某些呈等離子狀態(tài)，地球上某些自然現(xiàn)象，如電離層、極光、閃電等都和等離子體關于，研究天體物理許多問題如星系構造，恒星表面現(xiàn)象，太陽風等也都與等離子體關于。等離子體理論涉及到物理學、氣體動力學、電磁學、化學等學科，現(xiàn)已成為一門新興交叉學科。

2.2等離子體理論應用

等離子體理論是一種新興領域，各種人工產生等離子體可用于等離子體切割、等離子體噴涂、磁約束/慣性約束聚變反映、聚合反映以及材料制備、化合物制備、科學實驗等，現(xiàn)已被廣泛應用于原子能、鋼鐵、冶金、半導體、陶瓷、塑料機械加工等方面。等離子體理論用于化學反映，不但能合成許多無機化合物和有機化合物，并且還能合成采用普通辦法難以合成或不能合成某些化合物（如氟化氙），顯示了獨特優(yōu)越性。等離子體化學反映與已實現(xiàn)工業(yè)化某些高溫化學反映、光化學反映、催化反映、放射或輻射化學反映相比具備較高效率和良好選取性。例如幾乎所有氧化物、硫化物及氯化物在熱等離子體高溫條件下都會發(fā)生分解，例如鋯英石能分解成二氧化鋯，是優(yōu)秀耐火材料（熔點2973K），可用在陶瓷、搪瓷等著色劑，具備流程短、耗電少、成本低、無三廢長處。四氯化鈦被氧化成二氧化鈦，粉粒細、成本低、已取代老式工藝。在有機合成反映及有機聚合反映中，應用冷等離子體電子溫度高，體系溫度低特點，還也許引起環(huán)狀化合物環(huán)收縮、環(huán)擴大、環(huán)開裂，有機化合物中原子或小集團脫離（如H、CO、CO2等），本文僅對采用等離子體理論解決廢水、廢氣作了研究。

3、低溫等離子體技術在環(huán)保中應用低溫等離子體內部富含極高化學活性粒子，如電子、離子、自由基和激發(fā)態(tài)分子等。低溫等離子體降解污染物是運用這些高能電子、自由基等活性粒子和廢水、廢氣中污染物作用，使污染物分子在極短時間內發(fā)生分解，并發(fā)生后續(xù)各種反映已達到分解污染物目。低溫等離子體去除污染物機理中，等離子體傳遞化學能量反映過程中能量傳遞大體如下：電場+電子→高能電子高能電子+分子（或原子）→（受激原子、受激基團、游離基團）活性基團活性基團+分子（或原子）→生成物+熱活性基團+活性基團→生成物+熱從以上過程可以看出，電子一方面從電場獲得能量，通過激發(fā)或者電離將能量轉移到分子或原子中去，獲得能量分子或原子被激發(fā)，同步有某些分子被電離，從而成為活性基團；之后這些活性基團與分子或原子、活性基團與活性基團之間互相碰撞后生成穩(wěn)定產物和熱。此外，高能電子也能被鹵素和氯氣等電子親和力較強物質俘獲，成為負離子，此類負離子具備較好化學活性，在化學反映中起著重要作用。3.1、低溫等離子體技術治理廢氣低溫等離子廢氣解決作為一種新型氣態(tài)污染物治理技術是一種集物理學、化學、生物學和環(huán)境科學于一體交叉綜合性電子化學技術，由于很容易使污染物高效分解且解決能耗低等特點，是當前國內外大氣污染治理中最富有前景、最行之有效技術辦法之一，其使用和推廣前景遼闊，為工業(yè)領域VOC類有機廢氣及惡臭氣體治理開辟了一條新思路。3.1.1、低溫等離子體有機廢氣凈化運用低溫等離子體產生具備高氧化性臭氧，在催化劑作用下，使有機廢氣在較低溫度下完全轉化。該技術可應用于溶劑廠、印染廠、油漆廠等有機廢氣排放源。如上海乾翰環(huán)保生產“QHDD-Ⅱ”低溫等離子體工業(yè)廢氣解決成套設備和技術是在原電暈放電基本上由高頻高壓電場通過尖端放電產生新一代低溫等離子體技術，具備能量高、電子發(fā)射密度高等特點，其凈化原理如下：在放電過程中，電子從電場中獲得能量，通過非彈性碰撞將能量轉化為污染物分子內能或動能，這些獲得能量分子被激發(fā)或發(fā)生電離形成活性基團，同步空氣中氧氣和水分在高能電子作用下也可產生大量新生態(tài)氫、活性氧和羥基氧等活性基團，這些活性基團互相碰撞后便引起了一系列復雜物理、化學反映。當污染物分子獲得能量不不大于其分子鍵能結合能時，污染物分子分子鍵斷裂，直接分解成單質原子或由單一原子構成無害氣體分子。從等離子體活性基團構成可以看出，等離子體中含大量高能電子、正負離子、激發(fā)態(tài)粒子和具備強氧化性活性自由基，這些活性粒子和某些廢氣分子碰撞結合，同步產生大量OH、HO2、O等活性自由基和氧化性極強O3，能與有害氣體分子發(fā)生化學反映，最后生成無害產物。物理作用體當前具備荷電集塵作用。等離子體中大量電子和顆粒污染物發(fā)生非彈性碰撞并粘附其表面從而使其荷電，在電場作用下，顆粒污染物被集塵極收集。生物作用體當前具備消毒殺菌功能。機理為：等離子體中正負粒子使微生物表面產生電能剪切力不不大于其細胞膜表面張力，致使細胞膜遭到破壞而導致微生物死亡。3.1.2、低溫等離子體汽車尾氣凈化近些年來，隨著汽車市場激烈競爭與汽車保有量高速增長，汽車尾氣污染問題日益嚴重，已經(jīng)成為都市大氣污染重要污染源之一。而等離子體技術由于其凈化效率高，能同步解決各種污染物以及無二次污染等長處，在汽車尾氣凈化領域應用中引起人們特別關注。西方國家于20世紀80年代便開展了有關研究，如1989年Clements等[11]人通過脈沖電暈進行了同步去除SO2和NOx實驗、1998年M.Dors等[12]等人進行了直流偏壓疊加脈沖電暈放電，通過加濕靜電集塵器脫除NOx研究并獲得了較好效果。而國內對于這方面研究則進行較晚，直到20世紀90年代初期才開始有關研究，但進展較快。如趙文華等[13]人采用半導體器件制作了小巧高壓電源，設計了一套輕便電暈放電等離子體發(fā)生器，通過變化放電管輸入功率、NO濃度及流量進行了去除NO實驗研究，獲得了抱負效果，最佳轉化率達到100%；馮志宏等[14]人采用介質阻擋放電等離子體技術脫除汽車尾氣中NO，并通過實驗對“N2+NO”模仿尾氣低溫等離子體凈化做了研究，考察了放電電壓、尾氣在等離子體反映器中停留時間、NO初始濃度對模仿尾氣中NO去除率影響，成果表白在增大放電電壓、減少模仿尾氣進入等離子體反映器流量狀況下，NO去除效果非常明顯；曾科等[15]人將低溫等離子體技術用于減少柴油機微粒排放[16]，得到了適于靜電捕集微粒電阻率范疇，以及初步采用脈沖電暈等離子體法去除汽車尾氣中CO、NOx，得到了某些重要經(jīng)驗數(shù)據(jù)等。等離子體中離子、電子和激發(fā)態(tài)原子都是極活潑反映性物種，能使普通條件下難以進行或速度很慢反映變得十分迅速，從而引起一系列物理和化學反映，實現(xiàn)對尾氣中有害氣體凈化。機理反映如下[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、低溫等離子體廢水凈化低成本、高能效地使廢水達標排放或回用是水解決領域永遠追求目的，而廢水中有毒、難降解污染物（如含芳環(huán)類化合物、有機聚合物、表面活性劑等）治理是達標排放或回用中核心環(huán)節(jié)。針對這些污染物，當前最受關注是與OH自由基有關高檔氧化技術。如濕式氧化、催化氧化、超臨界氧化、低溫等離子體氧化等。其中低溫等離子體氧化技術是近些年來新興起一項高檔氧化技術，它兼具高能電子輻射、紫外光解、高溫熱解和臭氧氧化等多方面協(xié)同降解作用，能有效去除工業(yè)廢水中難降解物質，具備降解速率快、解決范疇廣、效果好、無二次污染、可在常溫常壓下進行等長處，特別是在解決難降解有毒廢水方面有著明顯優(yōu)越性，具備遼闊應用前景，被以為是21世紀最有發(fā)展前程廢水解決技術。低溫等離子體降解有機物過程是集自由基氧化、紫外光解、高溫熱解、夜電空化降解以及超臨界水氧化等各種氧化技術互相交替作用過程，既涉及等離子體通道內有機物直接降解，也涉及等離子體通道外高檔氧化。其氧化機理：低溫等離子體是在特定反映器內，由高壓脈沖電源向水中或水面之上空間注入能量產生。當徒前延、窄脈沖高壓施加于放電極與接地極之間時，巨大脈沖電流使系統(tǒng)溫度急劇上升，在兩極之間形成放電通道，同步高強電場使電子瞬間獲得能量成為高能電子，與水分子碰撞解離，在高溫條件下，通道內就形成了稠密等離子體。低溫等離子體重要由電子、正負離子、激發(fā)態(tài)原子、分子以及具備強氧化性自由基等構成，在放點作用下，這些活性物質轟擊污染物中C-O鍵及其他不飽和鍵，發(fā)生斷鍵和開環(huán)等一系列反映，或某些使大分子物質變成小分子，從而提高難降解物質可生化性。低溫等離子體具備高密度、高膨脹效應以及高能量儲存能力等特點，它能將放電能量以分子動能、離解能、電離能和原子勉勵能等形式儲存于等離子體中，繼而轉換為熱能、膨脹壓力勢能、光能以及輻射能等，導致等離子體內部存在壓力梯度，等離子體邊界存在溫度梯度，其中膨脹勢能和熱輻射壓力能疊加形成液相放電沖擊波，這一壓力作用于水介質，通過水分子機械慣性，使其以波形式傳播出去，便形成了壓力沖擊波。同步，等離子體通道熱能不但氣化了周邊液體，并且轉變?yōu)闅馀輧饶芗芭蛎泟菽?。由于氣泡內壓強和溫度均很高，使它向外膨脹對周邊液體介質做功，氣泡內位能又轉變?yōu)橐后w介質運動動能，如果介質比較均勻，就會浮現(xiàn)動能、位能兩者之間轉換，從而浮現(xiàn)氣泡膨脹-收縮過程（夜電空化效應）。氣泡形成過程是等離子體消失過程，氣泡內殘存大量離子、自由基和處在不同激發(fā)態(tài)原子、分子隨氣泡破滅而向周邊介質中擴散。此外，等離子體通道內熱能向周邊液體傳播，導致了諸多高溫、高壓蒸汽泡產生，這些蒸汽泡溫度和壓力足以形成暫態(tài)超臨界水（臨界溫度647K，臨界壓力2.2×107Pa）。運用低溫等離子體氧化法解決難降解有毒廢水研究還處在實驗階段，當前多為解決單一組分模仿廢水，如苯酚、TNT、苯乙酮、各種染料等。等離子體對這些有機物去除率與各種因素關于，涉及放電電極極性，放電峰壓、放電頻率、溶液電導率、PH值、添加劑等。當前所做研究均為等離子體氧化法解決工業(yè)廢水提供思路。3.2.1液相放電解決有機廢水液相放電即通過沒入水中高壓電機和地電極將能量注入水中后產生羥基、過氧化氫、臭氧等活性物質。陳銀生等[19-22]運用針板式放電裝置對廢水中苯酚或對氯苯酚降解效果進行了研究，并分析了降解產物構成。成果表白，提高脈沖電壓峰值、延長放電時間、無機鹽FeSO4存在均可提高降解效果，自由基清除劑及緩沖劑存在會明顯減少降解效果。100mg·Ｌ-1苯酚廢水溶液放電解決180min，最高降解率達67.3%。當放電解決420min時，廢水TOC下降83.8%。對100mg·Ｌ-14-氯酚廢水放電解決240min，最高降解率可達90%以上，降解產物重要有苯酚、對苯二酚、鄰苯二酚、對氯鄰苯二酚和對苯醌等。當放電時間足夠長時，對氯苯酚可完全降解為CO2和H2O等無機小分子。高壓脈沖液相放電技術是當前最新型水解決高檔氧化技術，集高能電子輻射、化學氧化、光化學氧化等高檔氧化技術于一體，系統(tǒng)無需外加氧化劑，反映體系不需輔以高溫、高壓或外加光源等技術手段。3.2.2氣相放電解決有機廢水氣相電暈放電來源于臭氧發(fā)生器，在兩電極間施加電壓時，電極間氣體介質被擊穿，產生非平衡等離子體（重要是臭氧）擴散進液體中與污染物反映。在國內，脈沖電暈降解有機廢水研究工作始于1996年李勝利等[23]人應用這一技術進行了直接蘭2B廢水降解和染料廢水脫色實驗，發(fā)現(xiàn)高壓毫微秒脈沖產生直接與廢水接觸非平衡等離子體可有效破壞染料發(fā)色基團，使印染廢水在10s內脫色，最后可使色度減少90%。在對直接蘭2B降解實驗中，觀測到COD明顯下降，BOD先升后降，必定了放電對染料分子破壞和溶液可生物降解性提高。近年來，陳海燕等[24]人采用多針-板式高壓脈沖氣相放電體系解決TNT廢水，結合向反映器中投加催化劑來強化TNT降解效果，考察了不同催化劑及投加量對TNT降解效果影響。3.2.3氣液兩相放電解決有機廢水把氣相放電（重要產生臭氧）和液相放電（產生羥基和過氧化氫）長處結合起來，那么氣液兩相放電研究將成為研究熱點。國內當前大連理工吳彥課題組[25]、中華人民共和國石油大學（華東）鄭經(jīng)堂課題組[26]也都在進行這方面研究。4、小結盡管國內外對低溫等離子體技術在環(huán)保中應用原理已有較多討論，也有諸多單一有機物降解實驗室研究工作報道，但是該技術對不同類型有機物和實際工業(yè)廢水、廢氣降解研究報道還是非常少，對廢水、廢氣作用機理以及各種因素對解決效果影響規(guī)律研究還不夠。因而低溫等離子體技術作為當今熱點研究，其在環(huán)保上應用依然有遼闊前景。參照文獻[1]IonizationandPlasmas.TheUniversityofTennessee,KnoxvilleDepartmentofPhysicsandAstronomy.[2]HowLightningWorks.HowStuffWorks.[3]Langmuir,I.,1928,ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica，14,627.NASAADSDOI:10.1073/pnas.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