废气处理低温等离子体形成过程及发生技术

在我们常见的有机废气处理设备里面，低温等离子体也是较为常见的一种设备之一，小编来为您简单介绍一下低温等离子体的形成过程及发生技术。
1.低温等离子体形成过程
低温等离子体在形成过程中，其电子能量可达到1～20eV(11600～250000K)，因此，其具有较高的化学反应活性。低温等离子体在残余化学反应的过程从时间尺度可分为以下几个过程，对应的示意图见图9-2。
①第一步是皮秒级的电子跃迁，电子从基态跃迁到激发态。
②第二步发生在纳秒级尺度。不同能量温度状态的电子通过旋转激发、振动激发、离解和电离等非弹性碰撞形式将内能传递给气体分子后，一部分以热量的形式散发掉，另一部分则用于产生自由基等活性离子。
③在形成自由基活性离子后，自由基及正负离子间会引发线性或非线性链反应，该反应发生在微秒级尺度。
④最后，是由链反应导致的毫秒到秒量级的分子间发生热化学反应。

低温等离子体对VOCs废气处理时，其主要的反应进程与之前所述一致。首先是高能电子与分子间碰撞反应引发活性自由基，而后，自由基会与有机气体分子结合反应，达到净化气体的目的。低温等离子体净化VOCs的作用机理根据目标污染物的差异而不同。卤代烃分子具有较强的极性，具有较强的吸电子能力，因此，其易受到高能电子的攻击而降解;烃类VOCs化学性质相对活浚，其易与自由基结合而发生化学反应，但在高压放电过程中进行的化学反应主要是离子反应。反应的最终产物也因反应条件不同而异。在高温、高能量密度环境下处理低浓度有机气体时，氧化反应起到主导作用，最终的产物主要为CO2和H2O;在低温低能量密度下处理高浓度的有机气体时，生成产物的中间体更容易发生链加成反应而生成固态或者液态的有机物。因此，在VOCs废气处理过程中，通过相关技术控制反应条件，对于VOCs的处理至关重要。

2. 低温等离子体发生技术
在不同的激励电压波形下，反应器产生不同的放电模式。低温等离子体发生技术根据反应器类型主要分为电晕、沿面、介质阻挡等几种形式。在治理多组分VOCs污染气体时通常采用多种放电方式相结合的方式， Mizuno等研究采用毛细玻璃石英管和Al2O2球颗粒模拟蜂窝催化剂，通过交、直流电耦合的形式，证明可在催化剂表面产生大面积的等离子体，为净化汽车尾气提供了方向与依据。主要的放电技术简述如下。
(1)电晕放电
①直流电晕放电在空气中直流电晕放电有流光与辉光两种形式。当电子跃迁产生的空间电荷诱导形成场强与外部施加电场的场强在同一数量级时，则形成流光电晕。形成的流光等离子体向场强增强的方向运动。据理论计算，流光等离子体在传插过程中速度在(0.5～2)106m/s;其头部的场强通常维持在100～200kV/cm，远大于外部施加电场产生的自由基等活性子。在流光等离子体产生过程中，需要施加一特定强度的外部电场以产生长距离流光通道。电场场强不能过低，场强过低会使流光不能贯穿于高低压电极之间，影响放电区域的大小。
对于直流高压激励的等离子体系统，由于电压的变化速度很低，因此难以得到一个使流光通道形成的峰值场强。在这种情况下，放电装置会形成以离子电流为主的辉光电晕。辉光电晕的放电区域仅局限在高压电极附近，在整个电场内产生的自由基较少，不利于氧化VOCs气体。因此，该技术主要应用在电除尘领域。有研究发现空气中掺杂一定量的二氧化碳会使辉光电晕向流光电晕转变。但该过程极易受到流场分布、气体成分和电极结构的影响，在实际应用中很难控制放电模式的变化。

②脉冲电晕放电脉冲电晕放电系统中主要采用纳秒级脉冲供电系统，系统的放电效率主要受到开关性能、电源与反应器的匹配性等因素的影响。一般而言，目前常用的开关有火花开关、磁压缩开关和固体开关。开关的选择一般应优先考虑价格成本低、阻抗小、耐受电压性好、使用寿命长的开关。同时，也要对反应器进行精密设计，使其与电源进行合理匹配，这样将极大地提高能量从电源到负载的传输效率、延长开关的使用寿命。
③交直流叠加流光放电交直流叠加流光放电系统过电压远小于纳秒短脉冲，流光特性也根据过电压系统高低有较大差别。在其放电区域存在约20％的离子电流，能够同时净化有机气体和收集细颗粒物。图9-3所示为典型的交直流叠加供电电源及相应电压波形图。交流电源与直流电源通过一个大电容耦合产生AC/DC电压波形。这种电源运行的峰值电压接近闪络值时，オ会得到较大的等离子体注入功率。偶然的闪络会使耦合电容向反应器瞬间放电，造成耦合失败。此外，由于流光AC/DC等离子体是以自持放电的形式从高压电极随机产生，电晕电流远小于纳秒短脉冲的供电方式，因此一般单脉冲能量较低。
(2)沿面放电沿面放电反应器的结构主体为致密的陶瓷材料，在陶瓷内部埋有金属板作为接地极，陶瓷一侧的沿面上布置导电条作为高压电极，另一侧作为反应器的散热面。在中、高频电压作用下，电流从放电极沿陶瓷沿面延伸，在陶瓷沿面形成许多细微的流注通道，进行放电，使气态污染物反应降解。20世纪90年代，日本科学家首先在世界上研制出了最先进的“陶瓷沿面放电技术”，此技术不仅使气体放电面积增大，同时电极温度也较低，
从而大大延长了其使用的寿命。大气压下的沿面放电有着很好的工业应用前景，对于甲苯、丙、氯氟烃等有机废气处理效果较好，适合处理CHCl3和CFC-11等难降解有机物。

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