博士论文发表大气压等离子体在废气处理中应用

　　摘要：大气压等离子体是一项新兴的气体污染处理技术，已成为当前环境领域的研究热点。本文介绍了等离子体的概念及产生方法，概述了大气压等离子体技术在废气处理中的应用进展情况，并指出了今后大气压离子体处理废气的应用研究方向。文章发表在《自然资源学报》上，是博士论文发表范文，供同行参考。

　　关键词：大气等离子体;废气;处理技术;应用

　　一、引言

　　随着工业现代化的不断进步和发展，排放到大气中的硫氧化物、氮氧化物及有机废气等不断增加，大气污染造成的大气质量的恶化、酸雨现象、温室效应及臭氧层破坏足以威胁人类在地球上的生存和居住，其后果十分严峻，废气排放造成的环境污染问题逐渐引起人们的广泛重视。废气处理指的是针对工业场所、工厂车间产生的废气在对外排放前进行预处理，以达到国家废气对外排放的标准的工作。一般废气处理包括了有机废气处理、粉尘废气处理、酸碱废气处理、异味废气处理和空气杀菌消毒净化等方面[1]。大气压等离子体技术是一门新兴的环境污染处理手段，其在废气处理应用中具有成本低，效果好、操作简单，无需高价格的真空系统等特点，具有广泛的应用前景。本文主要研究的是大气等离子体技术在废气处理方面的应用进展情况和可行性。

　　二、等离子体的研究现状及特性

　　等离子体是一种电离状态的气体，它是由美国科学MUIR于1927年在研究低压下汞蒸汽放电现象时命名的[2]。等离子体被称作除固态、液态和气态之外的第4 种物质存在形态，它是由大量的子、中性原子、激发态原子、光子和自由基等组成，但电子和正离子的电荷数必须体表现出电中性。常见的产生等离子体的方法是气体放电，气体放电等离子体主要分为以下几种形式：①辉光放电;③介质阻挡放电;④射频放电;⑤微波放电。

　　大气压等离子体技术的实质也就是气体放电原理，气体在电场作用下被击穿而导电，由此产生的电离气体叫做气体放电等离子体[3]。我们把大气压等离子体分为平衡(热)或非平衡(冷)等离子体两大类。如今低气压等离子体己在材料处理领域得到广泛应用，该种等离子体可产生用来刻蚀或沉积薄膜的高浓度活性粒子，然而在运行低气压等离子体时也存在一些缺陷，像真空系统昂贵却需要维修，处理材料的尺寸受到真空室大小的限制。大气压等离子体与低气压等离子体相比，具有成本低、操作方便、无需高成本的真空系统等优点。

　　三、大气压等离子体在废气处理中的应用

　　随着我国能源消费的持续增长和机动车保有量的迅猛增加，大量煤、石油与天然气等化石燃料消耗产生的二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx) 等废气排放到大气中，环境大气中NOx/SO2比例的改变影响着大气酸沉降，进而在特定条件下产生二次光化学污染，致使空气中臭氧(O3)含量增加，并在空气中形成大量二次细微颗粒物，给公众健康及生态环境造成严重危害。等离子体是近十多年发展起来的一门高度交叉的新学科，是集物理学、环境科学、化学和生物学于一体的全新学科。大气压等离子体是一种新兴的物理与化学相结合的废气处理技术，如今该技术已成功应用于工业锅炉烟气和汽车尾气治理领域。大气压等离子体技术具有对废气净化效率高、能耗低及无二次污染等特点。

　　(一)大气压等离子体分解气态污染物的机理。

　　大气压等离子体分解气态污染物的机理为：等离子体中的高能电子在大气压等离子体分解气体污染物中起决定性的作用，数万度的高能电子与气体分子(原子)发生非弹性碰撞，巨大的能量转换成基态分子(原子)的内能，发生激发、离解以及电离等一系列物理和化学变化使气体处于活化状态。电子能量小于10ev时 产生活性自由基，活化后的污染物分子经过等离子体定向链化学反应后被脱除。而当电子平均能量超过污染物分子化学键结合能时，污染物气体分子键断裂，污染物分解，在大气压等离子体中可能发生各种类型的化学反应，反应程度取决于电子的平均能量、电子密度、气体温度、污染物气体分子浓度及共存的气体成分。

　　(二)大气压等离子体处理废气装置。

　　大气压等离子体在废气处理中应用的机理是在等离子体中的高能电子、离子、自由基、激发态分子和原子等的作用下，将NOx与SO2被氧化成更易参与反应和更易吸收的NO2和SO3，从而实现对废气的净化处理。

　　图1是模拟汽车尾气和锅炉烟气同时脱硫脱硝所采用的大气压等离子体处理装置示意图。如图所示，中心铜棒电极被聚四氟绝缘材料固定在放电管的中心且与高压电源的高压输出端连接。铜棒处于放电管的中心能使介质阻挡放电管内等离子体更加均匀，另一方面可防止局部增强放电导致介质层击穿现象的发生，故会提高装置的运行时间。氯化钾溶液作为外电极并与高压电源的低压输出端相连。装置的内电极与电源的高压输出端相连，其位置在内径为16mm的右英管中心。铜棒放在石英放电管的中心是为了使管内放电所产生的等离子体更加均匀分布，以及防止介质层被击穿，从而延长装置的使用寿命。电源低压输出端与装置外电极相连，它所采用的是0.2mol/L的氯化钾溶液。仪器工作时，比例一定的NOx与活性气体(N2、O2、H2O)通过浮子流量计和气体分配器进入放电管，在线废气监测仪Testo 360测定氮化物的浓度变化。在装置放电区域或者气体输出管内，氮氧化物与活性气体粒子会发生反应，经检定，废气通过装置的处理净化，得到的产物都是无污染的，可直接排放到大气中。

　　四、大气压等离子体的应用研究方向

　　为了实现大气压等离子体技术在废气处理的推广应用，今后应加强深入研究大气压等离子体降解污染物的机理。大气压等离子体降解污染物是一个十分复杂的过程，而且影响这一过程的因素很多，虽然目前已有大量有关低温等离子体降解污染物机理的研究，但还未形成能指导实践的理论体系，使其工业应用缺乏理论保障。其次要实现处理装置的大型化与小型化双向发展，处理装置的大型化与小型化是等离子体技术今后发展的两个方向。

　　五、结束语

　　随着环境保护的深入发展，大气压等离子技术以其独特而优良的废气处理效果正日益获得环保研究者的青睐，该技术可以用来治理二氧化硫、氮氧化物等给环境以及人类带来严重危害的废气。大气压等离子体在废气处理方面的应用价值很高，目前我国对该方面的研究还只处于初步阶段，如果继续对大气压等离子体在废气处理中的应用展开深入研究，可为我国的大气环境污染整治工作做出突出贡献。

　　参考文献：

　　[1]解幸幸,顾年福,李颖等。非平衡等离子体资源化烟气脱硫实验研究[J].环境科学与技术,2006, 29:6-9.

　　[2]都基峻,季学李.低温等离子体处理气态污染物[J].污染防治技术,2000 13(1):33~34.

　　博士论文发表须知：《自然资源学报》1986年创刊，由中国科学技术协会主管，中国自然资源学会主办的学术刊物，国内外公开发行。主要报道范围：(1)自然资源学科理论研究的最新成果;(2)中国自然资源考察(数量、质量评价)、开发、利用、治理和保护的经验及研究成果;(3)自然资源研究中新技术、新方法的应用及其研究成果;(4)区域自然资源的管理评价及可持续发展的研究;(5)综述和简要报道国内外自然资源研究的新进展和发展趋势;(6)自然资源研究中不同学术观点的讨论;(7)其他对自然资源研究具指导意义的论述。