大氣壓等離子體在廢氣處理中的應用分析

論文類別:理學論文 > 理學相關論文
論文作者: 易軍 顧巖
上傳時間:2012/3/8 10:41:00

摘要:大氣壓等離子體是一项新興的氣體汙染處理技術,已成為當前環境領域的研究熱點。本文介紹了等離子體的概念及產生方法,概述了大氣壓等離子體技術在廢氣處理中的應用進展情況,並指出了今後大氣壓離子體處理廢氣的應用研究方向。
關鍵詞:大气等離子體;廢氣;處理技術;應用
    一、引言
    隨著工業現代化的不斷進步和發展,排放到大氣中的硫氧化物、氮氧化物及有機廢氣等不斷增加,大氣汙染造成的大氣質量的惡化、酸雨现象、溫室效應及臭氧層破壞足以威脅人類在地球上的生存和居住,其後果十分嚴峻,廢氣排放造成的環境汙染問題逐漸引起人們的廣泛重視。廢氣處理指的是針對工業場所、工厂車間產生的廢氣在对外排放前進行預處理,以達到國家廢氣對外排放的標准的工作。一般廢氣處理包括了有機废氣處理、粉塵廢氣處理、酸堿废氣處理、異味廢氣處理和空氣殺菌消毒凈化等方面[1]。大氣压等離子體技術是一門新興的环境汙染處理手段,其在廢氣處理應用中具有成本低,效果好、操作簡單,無需高價格的真空系统等特點,具有廣泛的應用前景。本文主要研究的是大氣等離子體技術在廢氣處理方面的應用進展情況和可行性。
    二、等离子體的研究現狀及特性
    等離子體是一种電離狀態的氣體,它是由美國科學MUIR於1927年在研究低壓下汞蒸汽放電現象時命名的[2]。等離子體被稱作除固態、液態和氣态之外的第4 種物質存在形態,它是由大量的子、中性原子、激發態原子、光子和自由基等組成,但電子和正離子的電荷数必須體表現出電中性。常見的產生等離子體的方法是氣體放電,氣體放電等離子體主要分為以下几種形式:①輝光放電;③介質阻挡放電;④射頻放電;⑤微波放電。
    大氣壓等離子體技術的實質也就是氣體放电原理,氣體在電場作用下被擊穿而導電,由此產生的電離氣體叫做氣體放電等離子體[3]。我們把大氣壓等離子體分為平衡(熱)或非平衡(冷)等離子體兩大類。如今低氣壓等離子體己在材料處理領域得到廣泛應用,该種等離子體可產生用來刻蚀或沈積薄膜的高濃度活性粒子,然而在運行低气壓等離子體時也存在一些缺陷,像真空系統昂貴卻需要維修,處理材料的尺寸受到真空室大小的限制。大氣壓等離子體與低氣壓等離子體相比,具有成本低、操作方便、無需高成本的真空系統等優點。
    三、大氣壓等離子體在廢氣處理中的應用
    隨著我國能源消費的持續增長和機動車保有量的迅猛增加,大量煤、石油與天然氣等化石燃料消耗產生的二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx) 等廢氣排放到大氣中,環境大氣中NOx/SO2比例的改變影響着大氣酸沈降,進而在特定條件下產生二次光化學汙染,致使空气中臭氧(O3)含量增加,並在空氣中形成大量二次細微顆粒物,給公眾健康及生態環境造成嚴重危害。等離子体是近十多年發展起來的一門高度交叉的新学科,是集物理學、環境科學、化學和生物學於一體的全新學科。大氣壓等離子體是一种新興的物理與化學相結合的廢氣处理技術,如今該技術已成功應用於工業鍋爐煙氣和汽车尾氣治理領域。大氣壓等離子體技術具有對廢氣凈化效率高、能耗低及無二次汙染等特點。
    (一)大氣壓等離子體分解氣態汙染物的機理。
    大气壓等離子體分解氣態汙染物的機理為:等離子體中的高能電子在大氣壓等離子體分解氣體污染物中起決定性的作用,數萬度的高能電子與氣體分子(原子)发生非彈性碰撞,巨大的能量轉換成基態分子(原子)的内能,發生激發、離解以及電离等一系列物理和化學變化使氣體處于活化狀態。電子能量小于10ev時 產生活性自由基,活化後的汙染物分子经過等離子體定向鏈化學反應後被脫除。而當電子平均能量超過汙染物分子化學鍵結合能時,汙染物氣體分子鍵斷裂,汙染物分解,在大氣壓等離子体中可能發生各種類型的化學反應,反應程度取決於電子的平均能量、電子密度、氣體溫度、汙染物氣體分子濃度及共存的氣體成分。
    (二)大氣压等離子體處理廢氣裝置。
    大氣壓等離子體在廢氣处理中應用的機理是在等離子體中的高能電子、離子、自由基、激發態分子和原子等的作用下,將NOx與SO2被氧化成更易参與反應和更易吸收的NO2和SO3,從而实現對廢氣的凈化處理。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com    圖1是模擬汽車尾氣和鍋爐煙氣同时脫硫脫硝所采用的大氣壓等離子體處理裝置示意圖。如图所示,中心銅棒電極被聚四氟絕緣材料固定在放電管的中心且與高壓電源的高壓輸出端連接。銅棒處於放電管的中心能使介質阻擋放電管內等離子體更加均勻,另一方面可防止局部增強放電導致介质層擊穿現象的發生,故會提高裝置的運行時間。氯化鉀溶液作為外電極並與高压電源的低壓輸出端相連。裝置的內電極与電源的高壓輸出端相連,其位置在内徑為16mm的右英管中心。銅棒放在石英放電管的中心是為了使管內放電所產生的等离子體更加均勻分布,以及防止介质層被擊穿,從而延長裝置的使用寿命。電源低壓輸出端與裝置外電極相連,它所采用的是0.2mol/L的氯化鉀溶液。儀器工作時,比例一定的NOx與活性氣體(N2、O2、H2O)通過浮子流量計和氣體分配器進入放電管,在線廢氣監测儀Testo 360測定氮化物的濃度變化。在裝置放電區域或者氣體输出管內,氮氧化物與活性氣体粒子會發生反應,經檢定,廢气通過裝置的處理凈化,得到的產物都是無汙染的,可直接排放到大氣中。
大气压等离子体在废气处理中的应用分析    
    图1大氣壓等離子體處理廢氣裝置示意圖
    四、大氣壓等離子体的應用研究方向
    為了实現大氣壓等離子體技術在废氣處理的推廣應用,今後應加强深入研究大氣壓等離子體降解汙染物的機理。大氣壓等離子體降解汙染物是一個十分復杂的過程,而且影響這一过程的因素很多,雖然目前已有大量有關低溫等離子體降解汙染物機理的研究,但还未形成能指導實踐的理論體系,使其工業應用缺乏理論保障。其次要實現處理裝置的大型化與小型化雙向發展,處理裝置的大型化與小型化是等離子體技術今後發展的兩個方向。
    五、結束語
    隨著環境保護的深入發展,大氣壓等離子技術以其獨特而優良的廢氣處理效果正日益獲得環保研究者的青睞,該技術可以用來治理二氧化硫、氮氧化物等給環境以及人類帶來嚴重危害的廢气。大氣壓等離子體在廢氣处理方面的應用價值很高,目前我國對該方面的研究還只处於初步階段,如果繼續對大氣压等離子體在廢氣處理中的應用展开深入研究,可為我國的大氣環境汙染整治工作做出突出貢獻。

參考文獻


[1]解幸幸,顧年福,李颖等。非平衡等離子体資源化煙氣脫硫實驗研究[J].環境科學與技術,2006, 29:6-9.
[2]都基峻,季學李.低溫等离子體處理氣態汙染物[J].汙染防治技術,2000 13(1):33~34. 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
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