低溫等離子體及其在廢氣處理中的應(yīng)用

何 慧 潘依依 方明中

（浙江中藍(lán)環(huán)境科技有限公司浙江溫州325000）

低溫等離子體及其在廢氣處理中的應(yīng)用

何 慧 潘依依 方明中

（浙江中藍(lán)環(huán)境科技有限公司浙江溫州325000）

低溫等離子體技術(shù)在國內(nèi)的研究引起了高度的重視，在研究等離子體中發(fā)現(xiàn)重要的物理現(xiàn)象，如磁場重聯(lián)等離子體等，使更多的研究者致力于對等離子體的研究。低溫等離子技術(shù)在我國中不斷的發(fā)展與應(yīng)用，在廢氣處理方面低溫等離子的技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。

低溫等離子體；廢氣處理；應(yīng)用

自由基等活性因子、廢氣中的污染物與高能電子被低溫等離子所利用，使其相互作用，低溫等離子能夠高效率的、流程短的來處理各類的污染物，相較于其他污染技術(shù)的處理，范圍適用廣。污染物中的大分子團(tuán)被擊碎，長分子鏈被打斷成為無害的短分子物質(zhì)，達(dá)到降解污染物的目的。低溫等離子技術(shù)能夠有效去除硫化氫、氨、三甲胺、甲硫醇、甲硫醚、二硫化碳、苯乙烯、二甲二硫醚等物質(zhì)，分解羥基化合物、硫化物、酚類、醇類、胺類、脂肪酸等有毒有害物質(zhì)，在低濃度有機(jī)廢氣治理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1 低溫等離子體在我國的應(yīng)用研究進(jìn)展

1.1 低溫等離子體的物理研究

我國對低溫等離子物探的研究集中在以下幾個(gè)方面。1.1.1熱等離子體物理

熱等離子體物理研究的主要對象是電弧，特別是電功率較大的電弧等離子體[1]。納米粉、冶金合成等物質(zhì)涂抹覆蓋于電弧等離子體的表面，有著較為重要的作用。近年來，石油方面的問題已受到了社會各界許多人的關(guān)注，如何讓煤粉轉(zhuǎn)化成為乙炔的研究已經(jīng)是各方熱議的話題了，對此，科技部除了給予一個(gè)重大項(xiàng)目的支持以外，還有中國科學(xué)院等離子體研究生等各單位還一起聯(lián)合籌集了資金為其建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置以示支持。超大功率的電弧等離子是這個(gè)裝置中最關(guān)鍵的一個(gè)問題所在[2]。所以關(guān)于電弧等離子體化學(xué)與物理現(xiàn)象的研究，已是迫在眉睫，這時(shí)對其技術(shù)推廣到與應(yīng)用到市場上的關(guān)鍵。

陳玉如等學(xué)者曾寫過關(guān)于熱等離子體技術(shù)發(fā)展的文章。國內(nèi)在這方面研究的主要有：

劉彤等學(xué)者在關(guān)于熱等離子體的傳熱、能量運(yùn)輸、組分?jǐn)U散等各個(gè)方面都進(jìn)行了理論研究，并且還開發(fā)了一個(gè)三維數(shù)值模擬的程序。中國科學(xué)院的潘文霞等開發(fā)了等離子體長射流噴槍，王卉等基于等離子體噴涂為背景下，讓陶瓷顆粒在層流等離子體長射流中利用三維數(shù)值的模擬進(jìn)行加熱歷程與其的運(yùn)動軌跡。

1.1.2 等離子體鞘層物理

等離子體與其相鄰的物體之間的介面就是等離子體鞘，其他物體與這個(gè)介面之間要進(jìn)行相互的作用就必須要借助這個(gè)“鞘”。“鞘”對于等離子的應(yīng)用當(dāng)中有著至關(guān)重要的作用，所以對其也做了許多的研究也受到了各方的重視。卻因?yàn)榍适艿降入x子體自身的限制，造成了實(shí)驗(yàn)研究舉步維艱的現(xiàn)象，數(shù)值模擬和理論比較多。王云英等學(xué)者對其做出了詳細(xì)地介紹，而孟江燕等學(xué)者對此做出大量的關(guān)于等離子體鞘計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)；雷利利等學(xué)者利用蒙特卡羅方法對離子經(jīng)過其鞘注入金屬樣品的過程進(jìn)行了研究；王攀等學(xué)者對離子輸運(yùn)和ECR等離子體鞘進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)；王云英等學(xué)者關(guān)于二次電子的發(fā)射對微波等離子體鞘所產(chǎn)生的影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。

1.2 低溫等離子體診斷

等離子體診斷是一項(xiàng)十分重要的工作，它對確定特定等離子參數(shù)、優(yōu)化等離子體工藝與各種各樣等離子體的機(jī)理作用起著明確決定性的作用。低溫等離子體研究目前診斷常采用的方法有：質(zhì)譜法、光譜法和探針法。

1.2.1 質(zhì)譜法

質(zhì)譜法其實(shí)就是用電場和磁場將運(yùn)動的離子（分子碎片、或帶電荷的原子分子，有分子離子、同位素離子、碎片離子、重排離子、多電荷離子、亞穩(wěn)離子、離子－分子和負(fù)離子相互作用產(chǎn)生的離子）按它們的質(zhì)荷比分離后進(jìn)行檢測的方法。測出離子準(zhǔn)確質(zhì)量即就可以確定離子的化合物的組成。這是由于核素的準(zhǔn)確質(zhì)量是一個(gè)多位小數(shù)，所以不會出現(xiàn)有兩個(gè)核素的質(zhì)量是一樣的，而且決不會有一種核素的質(zhì)量剛好是另外一個(gè)核素質(zhì)量的整數(shù)倍。分析這些離子可獲得化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量、裂解規(guī)律和由單分子分解形成的某些離子間存在的某種相互關(guān)系等信息[3]。目前，我國有很多廠家生產(chǎn)四極質(zhì)譜計(jì)，但是用于等離子體分析的四極質(zhì)譜計(jì)的廠家卻一家都沒有。

1.2.2 光譜法

光譜法又可分為兩種，即：分子光譜法與原子光譜法。激發(fā)態(tài)粒子在等離子體中大量的存在，而在其中還有光子會通過一些激發(fā)態(tài)粒子來進(jìn)行發(fā)射。把這些光子進(jìn)行光譜的探測，等離子體中物質(zhì)所處的狀態(tài)及種類就能進(jìn)行一個(gè)判斷。光譜探測法也被一些研究者拿來采用對其進(jìn)行研究，例如在CAD制作金剛石薄膜工藝的時(shí)候?qū)ang和Cui對熱絲等離子體進(jìn)行了增強(qiáng)光譜診斷，結(jié)果表明，金剛石的生長中CH+離子有著非常重要的作用。其實(shí)光譜法就是在物質(zhì)與輻射相互作用時(shí)，測量從物質(zhì)的內(nèi)部發(fā)生了量子化能級之間的躍遷所產(chǎn)生的吸收、發(fā)射或者散射輻射的強(qiáng)度和波長進(jìn)行一個(gè)分析的方法。

1.2.3 探針法

探針法通常用來測量半導(dǎo)體的電阻率。四探針法測量電阻率有個(gè)非常大的優(yōu)點(diǎn)，它不需要較準(zhǔn)；有時(shí)用其它方法測量電阻率時(shí)還用探針法較準(zhǔn)。把金屬探針加到等離子體中，仔細(xì)分析探針電流、電壓，并進(jìn)行測量，經(jīng)過此方法就可以獲得電子能量分布、電子溫度、等離子體的密度等相關(guān)的信息，根據(jù)不同的工作目的與環(huán)境，探針也存在各種各樣的類型，如發(fā)射探針、單探針、雙探針等[5]。然而關(guān)于探針的實(shí)踐和理論已有相當(dāng)長的歷史。探針法對比其他的診斷方法要相對簡單且易于實(shí)施，在等離子體的診斷中就成為了常規(guī)的診斷方法。探針診斷法也成為我國等離子體研究者較為常用的檢測診斷方法。林強(qiáng)等研究者對探針方法診斷射頻等離子體進(jìn)行了詳細(xì)地研究，對于這種射頻等離子體進(jìn)行診斷必須克服具有較強(qiáng)的射頻干擾。他們還利用加熱探針技術(shù)，克服在薄膜沉積過程中診斷等離子體的困難。

2 低溫等離子體分解氣態(tài)污染物的作用機(jī)理

低溫等離子體對氣態(tài)污染物進(jìn)行分解時(shí)，其中的高能電子就開始發(fā)揮出來決定性的重大作用。分子與高能電子在發(fā)生非彈性的碰撞時(shí)，能量就會因此而發(fā)生轉(zhuǎn)化，變成分子的內(nèi)能，從而還會發(fā)生一些的過程，如：電離、離解、激發(fā)，促使氣體變?yōu)榛罨癄顟B(tài)。在電子能量較低的情況下，能夠產(chǎn)生活性自由基，等離子體能讓污染物的分子在反應(yīng)過后通過其自身產(chǎn)生一些化學(xué)反應(yīng)，并消除。污染物的分子小于電子平均能量的時(shí)候，雙方之間相互結(jié)合時(shí)，就能讓其污染物進(jìn)行了分解。然而在低溫等離子體中，可能存在各種類型的化學(xué)反應(yīng)，這完全取決于污染物氣體分子濃度、電子密度、共存氣體成分、氣體溫度及電子平均能量[6]。

3 低溫等離子體在處理廢氣中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

SDZY有限公司的廢氣主要來源于特高調(diào)節(jié)池等工藝段散發(fā)的異味氣體、兼氧池，而這些主要污染的影子都有：亞硫酸、甲硫醚、硫化氫、甲硫醇、氨、有機(jī)酸、二甲二硫及吲哚等有機(jī)廢氣。其廢氣量達(dá)3500m3/h，詳情見表1。

表1 SDZY有限公司的廢氣情況

3.2 廢氣處理工藝流程

與目前廢氣處理方法相比，根據(jù)廢氣中污染物的特性以及結(jié)合工程投資及處理效果的前提條件下，該工程適合采用低溫等離子體裂解氧化廢氣處理工藝。

圖1 低溫等離子體裂解氧化廢氣處理工藝流程圖

廢氣處理首先要對其進(jìn)行溶劑吸收，然后采用預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，經(jīng)過預(yù)處理后，將氣體通入到氣體分配器中，再均勻通入到低溫等離子體反應(yīng)器中，其目的使每個(gè)低溫等離子體反應(yīng)管中的氣體量大致一樣。同時(shí)對于來自不同工段的廢氣要充分進(jìn)行混合，從而達(dá)到均質(zhì)目的。其流程圖如圖1所示。

3.3 廢氣處理前后比較

低溫等離子體氧化反應(yīng)器正常運(yùn)行后，由PONY譜尼測試集團(tuán)對廢氣進(jìn)行檢測，其檢測結(jié)果如表2所示。

表2 低溫等離子體處理前后廢氣成分比較(臭氣濃度單位為無量綱)

4 結(jié)語

綜述所述，通過我國對低溫等離子體的研究進(jìn)展進(jìn)行闡述，表明我國在低溫等離子體研究方面已取得可觀的研究成果，同時(shí)也表明低溫等離子體的研究對受控核聚變方面具有重要作用。而由于它應(yīng)用十分廣泛，本文主要在廢氣處理方面的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，突出低溫等離子體對氣體污染物的處理具有顯著性效果，從而低溫等離子體對廢氣處理的應(yīng)用具有十分重要的意義。

[1]李婭西,邵先軍,彭兆裕,等.介質(zhì)阻擋放電對橙汁滅菌及其品質(zhì)的影響[J].高電壓技術(shù),2012,38(1):211-216.

[2]陳春雨,劉彤,王卉,等.低溫等離子體與MnOx/γ-Al2O3協(xié)同催化降解正己醛[J].催化學(xué)報(bào),2012,33(6):941-951.

[3]陳玉如,王云英,孟江燕,等.低溫等離子體處理對航空氟硅橡膠表面性能的影響[J].材料工程,2015,43(2):73-78.

[4]蔡憶昔,雷利利,王攀等.低溫等離子體協(xié)同納米催化技術(shù)降低柴油機(jī)NOx排放[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(13):67-71.

[5]張貴劍,李凱,林強(qiáng)等.低溫等離子體技術(shù)脫除大氣污染物的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2015,29(1):137-142.

[6]李蘭松,楊利擎,劉旭光,等.低溫等離子體對鎳吸附細(xì)菌B8的誘變[J].高校化學(xué)工程學(xué)報(bào),2013,23(3):462-468.