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東莞市越創環保科技有限公司
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等離子體技術原理等離子體中的化學反應主要是通過氣體放電產生的快電子激發來完成的
等離子體技術原理
等離子體中的化學反應主要是通過氣體放電產生的快電子激發來完成的。這些快電子與氣體分子碰撞，使氣體分子激發到更高的能級。被激發到高能級的分子，由于其內能的增加，既可發生鍵的斷裂也可以與其它物種發生化學反應；而由于碰撞失去部分能量的電子在電場的作用下仍可得到補償。典型的反應類型如下：
電子/分子反應
激發 e + A2 → A2﹢+ 2e
離解 e + A2 → 2A + e
附著 e + A2 → A2ˉ
離解附著 e + A2 → Aˉ+ A
電離 e + A2 → A2﹢+ 2e
復合 e + A2ˉ→ A2
離脫 e + A2ˉ→ A2 + 2e
分子/原子反應
潘寧離解 M* + A2 → 2A + M
潘寧電離 M* + A2 → A2﹢+ M + e
電荷轉移 A﹢+ B → B﹢+ A
離子復合 A﹢+ Bˉ→ AB
中性復合 A + B + M → AB + M
分解反應
電子的 e + AB → A + B + e
原子的 A* + B2 → AB + B
合成反應
電子的 e + A → A * + e
A * + B → AB
原子的 A + B → AB
可以看出，低溫非平衡態等離子體是使分子活化的有效方法，它能使幾乎所有的分子激發、電離和自由基化，產生大量的活性基團，如 O2ˉ、O、OH、O3 和高能量的自由電子。這些活性物種使得在通常條件下難以實現的反應可以很容易地在等離子體系統中完成。尤其對空氣中污染物的脫除，可以在很短的時間內使其分解甚至*分解。
研究表明，等離子體分解空氣污染物可通過兩種途徑完成：
（1）在產生等離子體的過程中產生的瞬間高能量，打開某些有害分子的化學鍵，使其分解成單質原子或無害分子。
（2）等離子體中包含了大量的高能電子、離子、激發態粒子（其能量范圍如表 1）和具有強氧化活性的自由基，這些活性粒子的平均能量高于氣體分子的鍵能，它們和有害氣體分子發生頻繁的碰撞，打開氣體分子的化學鍵，同時產生的大量?OH、HO2? 、O?等自由基和氧化性的 O3 跟有害氣體分子發生化學反應生成無害產物。
表 1 低溫等離子體中各種粒子能量和幾種氣體分子鍵能
低溫等離子體空氣凈化的作用機理如下：
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，低溫等離子體還有去除空氣中的煙塵顆粒、細菌、花粉、病毒、孢子等污染物的作用。去除顆粒污染物放電產生的等離子體中包含有大量的電子和正負離子，它們在電場梯度的作用下，與空氣中的顆粒污染物發生非彈性碰撞，從而附著在上面，使之成為荷電離子，若外加電場，可被集塵極收集。這一過程對懸浮于空氣中直徑小于100 微米的顆粒和直徑小于 10 微米的可吸入顆粒有較高的清除效果。
去除細菌、花粉、病毒、孢子放電產生的負離子同空氣中的有毒化學物質以及病菌懸浮顆粒物相碰撞使其帶負電。這些帶負電的顆粒物會吸引其周圍帶正電的顆粒物（通常空氣中的細菌、病毒、孢子等是帶正電）。這種聚集過程一直持續到顆粒物的重量足以使它降落在地面為止。除了聚集過程外，在有限的空間里空氣中帶負電的顆粒物還被吸附到帶正電的表面（通常情況下，房間里面大多數物體的表面，包括墻壁、地面、家具、電器等都是帶正電的）。
表 2 等離子體氣體凈化處理設備的參數
VOCs－揮發性有機物(三氯乙烯、苯、甲苯等) PFCs－全氟碳化物
ODS－臭氧消耗物質(氟利昂、哈龍氣體等) 酸性氣體－SOx、NOx、HCl、H2S
低溫等離子體的技術優勢
低溫等離子體技術應用范圍廣，氣體的流速和濃度對于氣態污染物凈化技
術應用來說是兩個非常重要的因素。圖 2 所示為氣體流速和濃度與不同治理技術之間的關系。
由圖 2 可以看出，生物過濾和燃燒技術能應用于較高濃度范圍，但卻受氣體的流速所限；電子束照射技術僅有一段非常窄的流速范圍。而低溫等離子技術對氣體的流速和濃度都有一個很寬的應用范圍，其應用廣泛不言而喻。
圖 2 氣態污染物凈化技術的應用范圍
低溫等離子技術工藝簡單，吸附法要考慮吸附劑的定期更換，脫附時還有可能造成二次污染；燃燒法需要很高的操作溫度；聯合催化法中，催化劑存在選擇性，某些條件(如溫度過高)會造成催化劑失活，生物法要嚴格控制 pH 值、溫度和濕度等條件，以適合微生物的生長。而低溫等離子體技術者較好地克服了以上技術的不足，反應條件為常溫常壓，反應器結構簡單，并可同時降解混合氣態污染物，不會產生二次污染。
在投資費用方面，低溫等離子體反應裝置本身系統構成單一緊湊，還可通過現有的靜電除塵裝置改進實現。在運行費用方面，微觀上講，因放電過程只提高電子溫度而離子溫度基本保持不變，這樣反應體系就得以保持低溫，所以不僅能量利用率高，而且使設備維護費用降低。
VOCs降解技術
見的 VOCs 包括甲醛、甲烷、乙烷、四氯乙烷、甲基氯化物以及各種各樣的氯代烴和全氟碳化物。目前國內外等離子體 VOCs 降解技術主要包括電子束法、納秒級脈沖電暈、介質阻擋放電、鐵電填充床放電、穩定流動的直流電暈放電、沿面放電等。
為了達到工業應用的目的，研究人員必須解決能耗問題。為了提高能量利用率，兩種方法被提出：(1)放電模式的發展，包括反應器結構和電源參數的改進；(2)催化劑對 VOCs降解的協同作用。
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