低温等离子体技术

1.1原理

等离子体是含有大量电子、离子、分子、中性原子、激发态原子、光子和自由基等组成的物质的第四种形态。其总正负电荷数相等宏观上呈电中性,但具有导电和受电磁影响的性质,表现出很高的化学活性。根据体系能量状态、温度和离子密度,等离子体通常可分为高温等离子体和低温等离子体(包括热等离子体和冷等离子体)。高温等离子体的电离度接近,各种粒子的温度几乎相同,并且体系处于热力学平衡状态,它主要应用于受控热核反应研究方面。低温等离子体则处于热力学非平衡状态,各种粒子温度并不相同。

低温等离子体可通过前沿陡、脉宽窄(纳秒级)的高压脉冲放电在常温常压下获得,其中的高能电子和O˙、OH˙等活性粒子可与各种污染物如CO、HC、NOX、SOX、H2S、RSH等发生作用,转化为CO2、H2O、N2、S、SO2等无害或低害物质,从而使废气得到净化。它可促使一些在通常条件下不易进行的化学反应得以进行,甚至在极短时间内完成,故属低浓度VOCs治理的前沿技术。

1.2研究进展

低温等离子体主要是由气体放电产生的,与现代工业关系密切,应用十分广泛。按放电方式可分为辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电及微波放电等。脉冲电晕是一种新型等离子体技术,属于冷等离子体,可在常压、低温下工作且电子能量适中,因此通常被用于处理VOCs等有害气体。在20世纪80年代中期由Masuda和Mizuno等首先提出,目前在中国、日本、俄罗斯和加拿大等国家都有研究[1,2]。

FutamuraS等[3]对有害大气污染物(HAP)在低温等离子体化学处理中金属氧化物的登录入口活性进行了研究,在没有MnO2作登录入口剂时,苯的摩尔转化率为30%,而在有MnO2作登录入口剂时,苯的转化率可高达94%。KangM等[4]在常压下用等离子体TiO2登录入口体系去除初始浓度为1000mg/m3的甲苯废气,仅有O2等离子体没有TiO2登录入口剂时,甲苯去除率为40%;在TiO2/O2等离子体下,去除率达到70%;在O2等离子体中,TiO2负载于γ-Al2O3上时,甲苯的去除率达到80%。这些研究表明,利用等离子体与登录入口反应的协同效应,以提高有机废气净化率、降低能耗是成功的。

近些年,国内学者对低温等离子体的研究也在深入。于勇等[5]用介质屏蔽降解CF3Br,降解率达到55%。李锻等[6]将双极性脉冲高压引入介质阻挡反应器对氯苯和甲苯的分解特性进行了实验研究。而以冯春杨[7]、晏乃强[8]和黄立维[9]等人开展了脉冲电晕去除多种有机废气的研究,初始浓度为76.8mg/m3,苯的去除率达到61.4%,并对比了线—筒式和线—板式二种反应器对甲苯的去除率,在以Mn、Fe等作为登录入口剂时,可使去除率提高,登录入口剂活性的排序为Mn>Fe>Co>Ti>Ni>Pd>Cu>V,在去除各种有机废气中,甲醛最易去除,二氯甲烷最难,甲苯、乙醇、丙酮则处于其间。周远翔[10]等还应用低温等离子体技术处理粉尘中二英,去除率达81%。

因此,低温等离子体技术应用的可行性和条件试验已较充分,也有了大量理论基础;已为这项工艺简单、适用性强、流程短、能耗低、易于操作和自动化的新技术早日工业化打下了充分的基础。