非平衡等離子體在室內空氣凈化中的應用

張 宏 黃玉良 蔡亮亮

室內空氣污染現象廣泛存在于各類居室、學校、醫院、辦公室等場所。室內空氣的污染源大致有以下幾個:燃燒，人為活動，建筑材料，室外污染物以及通風空調系統的二次污染。室內空氣中通常污染物有:ETS(Environmental Tobacco Smoke)，SPM(S)，SO2，NOx，CO，CO2，VOCs，氨類化合物，灰塵，霉菌，空氣微生物，正離子和臭氧、鉛、氡等。現代醫學研究證明，室內空氣污染已經成為人類健康的重大威脅。2001年 5月在華盛頓召開的世界環境大會指出:室內空氣污染比室外空氣污染更為嚴重，高出 2倍～3倍以上，其危害性也是室外空氣污染的數倍，而且，危害性是長期的、潛在的。因此，必須加強消除室內污染的技術研究，提高室內空氣品質，這對于改善人們的居室環境具有重要意義。

1 等離子體分類

等離子體的狀態主要取決于它的組成粒子、粒子密度和粒子溫度。根據離子溫度的差異，等離子體可分為熱平衡等離子體，熱等離子體和非平衡等離子體或低溫等離子體。而非平衡等離子體按產生的方式、壓強范圍、電極形狀可分為五類:1)輝光放電等離子體;2)電暈放電等離子體;3)介質阻擋放電等離子體;4)射頻放電等離子體;5)微波放電等離子體。

2 非平衡等離子體空氣凈化機理及方式

非平衡等離子體技術是一個集物理學、化學、生物學和環境科學于一體的交叉綜合性技術。該技術具有費用低、凈化效率高等明顯優點。

2.1 非平衡等離子體的空氣凈化機理

非平衡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。尤其對空氣污染物的脫除，可在很短的時間內使其分解甚至完全分解。如表 1所示為非平衡等離子體能量和一些氣體分子的鍵能。

表1 非平衡等離子體能量和一些氣體分子的鍵能

研究表明，等離子體分解空氣污染物可通過以下兩種途徑進行:

1)高能級電子直接作用于污染物分子。

2)高能級電子間接作用于污染物分子。

2.2 應用構想

根據上述非平衡等離子體空氣凈化原理，可開發出適合室內使用的采用模塊式結構的空氣凈化器[1]。主體部分包含預荷電集塵單元、催化凈化單元和負離子發生單元及消毒滅菌單元，輔助部分包括感測單元、中央控制單元。其中感測單元可實時監測所處環境中的有害氣體成分含量，并將監測結果上傳到中央控制單元。中央控制單元將根據不同的污染情況自動控制電路，向主體部分提供相應的等離子體。該凈化器的結構如圖 1所示。

3 非平衡等離子體技術應用研究

3.1 非平衡等離子體消除有機氣態污染物的研究

對揮發有機污染物的脫除，目前的研究主要集中在對烴、芳香烴系列和鹵代烴或氟里昂化合物的研究。

梁文俊、李堅等人[2]通過實驗發現低溫等離子體法去除苯和甲苯的機理是放電反應產生的高能電子與苯和甲苯分子發生非彈性碰撞并將能量全部或部分傳遞給目標分子，使其裂解、激化。最后得到如圖 2，圖3所示分別為電場強度、氣體流速與苯去除率的關系。從圖 2，圖 3中可以看出，苯和甲苯的去除率隨著電場強度的增強而增大，隨著氣體流速的增大而減小。

日本的江見準等人利用電暈放電去除香煙煙霧進行了實驗研究。結果空氣氛圍的電暈放電使乙醛氧化，其中大部分被氧化為CO2，只有百分之幾的乙醛被氧化為醋酸，這說明用電暈放電處理空氣中的乙醛是有效的。

3.2 非平衡等離子體消除污染物的反應機理研究

目前反應裝置和反應動力學方程的設計也成為一個研究熱點，因為設計出適合所有VOCs反應的反應裝置和它們的動力學方程對于提高污染物凈化效率具有重要意義。

Erwin H.W.，M.Smulders等人[3]在一定假設的基礎上，提出反應速率常數的表達式。這種理論在一個穩定的放電功率的作用下是正確的，但是在不同的放電功率下是有缺陷的。為此，Young Sun Mok等人，同時考慮到VOCs的濃度和放電功率所得出的反應速率，提出了新的反應速率常數表達式:

其中，Pw為平均放電功率;Q為氣體流量;CAo為反應器進口的濃度;CAL為反應器出口的濃度;Pw/Q為能量密度。其中VOCs的濃度已經確定，由式子可以看出隨著放電功率的升高和流速的降低，VOCs的凈化率增高。

3.3 非平衡等離子體消除污染物的反應裝置研究

目前等離子體發生器也是本領域的一個熱門方向，因為發生器的好壞關系到污染物凈化效率的高低。

原乃武，榮命哲，曾征等人[4]研制了數字觸發式電源，見圖 4。

最后得到了供電電壓與放電電壓的關系。放電電壓的最小值Umin隨輸入電壓的改變而變化不明顯。放電電壓的最大值Umax隨輸入電壓的增大而增大。

開發的這兩種低溫非平衡等離子體發生器，成本低，體積小，有利于低溫非平衡等離子體凈化空氣技術的推廣。

4 展望

目前采用的室內空氣污染的凈化方法有通風換氣式、過濾式和吸附式等。上面幾種空氣凈化方式都沒有從根本上消除污染物，只是從一個地方轉移到另一個地方。相比非平衡等離子體技術在室內污染物的治理上有著這些方法所無可比擬的優點。但目前這種方法在很多方面還需要進一步深入研究。通過對目前非平衡等離子體技術研究的分析和理解，認為以后主要應該從下面3個方面進行深入研究:

1)優化低溫等離子體源與反應器配置，進一步降低能耗，提高有害氣體脫除率，提高等離子體反應器長時間運行操作的穩定性。還需要在大功率窄脈沖高壓電源的研究、脈沖放電等離子體反應器及其優化設計、脈沖電源與反應器的匹配技術方面進行研究。2)目前室內的污染物種類比較多，每一種的濃度并不高，但是多種污染物聯合作用下，會對人體產生較大危害。因此應該在以后加強非平衡等離子體對低濃度污染物尤其是各種低濃度污染物聯合作用時凈化問題的研究。3)深入研究低溫等離子體綜合去除多種有害氣體時的副產物以及中間產物對反應的不利影響，深化反應機理的研究，解決最終反應產物分布及臭氧排放的難題。

[1] 楊 武，榮命哲.低溫等離子體空氣凈化原理及應用[J].電子電工雜志，2000(3):32.

[2] 梁文俊，李 堅.低溫等離子體法去除苯和甲苯廢氣性能研究[J].環境污染治理技術與設備，2005，6(5):54-55.

[3] H W Eriwin，M Smu lders.Pulsed power corona discharges for air pollution control[J].IEEE Trans.Plasma Sci，1998，26(5): 1476-1483.

[4] 原乃武，榮命哲，曾 征.室內空氣凈化用高壓窄脈沖電源的研究[J].高壓電器，2003，39(2):11-12.