低温等离子体技术在空气净化方面的应用发展

低温等离子体技术在空气净化方面的应用发展

1、技术背景

等离子体(Plasma)是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，也是宇宙中占比最高的物质形态[1][2]，常被视为是物质的第四态(另一种第四态是液晶体)，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。

等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯首次将Plasma一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态[3],Plasma是源自希腊文，意为可形塑的物体，此字有随着容器形状改变自身形状之意，如灯管中的等离子体会随着灯管的形状改变自身的形状。严格来说，等离子体是具有高位能高动能的气体团，等离子体的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被原子核束缚，而成为高位能高动能的自由电子。

1.1、等离子体的形成原理

等离子体通常被视为物质除固态、液态、气态之外存在的第四种形态。如果对气体持续加热，使分子分解为原子并发生电离，就形成了由离子、电子和中性粒子组成的气体，这种状态称为等离子体。除了加热之外，还可以利用如加上强电场等方法使其解

离。当外加电压达到气体的着火电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子核自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，这时的等离子体称为低温等离子体。

1.2、等离子体的性质

等离子体与气体的性质差异很大，等离子体中起主导作用的是长程的库仑力，而且电子的质量很小，可以自由运动，因此等离子体中存在显著的集体过程（collective behavior），如振荡与波动行为。等离子体中存在与电磁辐射无关的声波，称为阿尔文波。等离子态常被称为“超气态”，它和气体也有很多相似之处，比如：没有确定形状和体积，具有流动性，但等离子体也有很多独特的性质。等离子体中的粒子具有群体效应，只要一个粒子扰动，这个扰动会传播到每个等离子体中的电离粒子。等离子体本身亦是良导体。

1.3、等离子体和气体的比较

等离子体和普通气体的最大区别是它是一种电离气体。由于存在带负电的自由电子和带正电的离子，有很高的电导率，和电磁场的耦合作用也极强：带电粒子可以同电场耦合，带电粒子流可以和磁场耦合。描述等离子体要用到电动力学，并因此发展起来一门叫做磁流体动力学的理论。和一般气体不同的是，等离子

体包含三到四种不同组成粒子：自由电子、带正电的离子、中性气体原子（未电离的原子）和自由基。因此可以针对不同的组分定义不同的温度：电子温度和离子温度。轻度电离的等离子体，离子温度一般远低于电子温度，称之为“低温等离子体”。高度电离的等离子体，离子温度和电子温度都很高，称为“高温等离子体”。相比于一般气体，等离子体组成粒子间的相互作用也大很多。等离子体常称为固体、液体及气体以外的第四相，但其特性和其他能量较低的物质状态有显著不同。

2、等离子体学理论及其应用

2.1、等离子体学理论

等离子体是高度电离的气体，它由电子、离子、原子及分子组成的混合气体，整个体系的正负电荷相等而呈中性，具有与一般气体不相同的性质，其内电子、离子、甚至中性粒子一般都具有较高的能量，所进行的各种化学反应，都是在高激发态下进行的，完全不同于经典的化学反应。这样使等离子体内的原子或分子的本性通常都发生改变，如惰性气体化学活泼性也会变得很强等。恒星和星际空间的物质，绝大部分呈等离子体状态，地球上的一些自然现象，如电离层、极光、闪电等都和等离子体有关，研究天体物理的许多问题如星系结构，恒星表面现象，太阳风等也都与等离子体有关。等离子体理论涉及到物理学、气体动力学、

电磁学、化学等学科，现已成为一门新兴的交叉学科。

2.2、等离子体学理论的应用

等离子体学理论是一个新兴领域，各种人工产生的等离子体可用于等离子体切割、等离子体喷涂、磁约束/惯性约束聚变反应、聚合反应以及材料制备、化合物制备、科学实验等，现已被广泛应用于原子能、钢铁、冶金、半导体、陶瓷、塑料机械加工等方面。

等离子体理论用于化学反应，不仅能合成许多无机化合物和有机化合物，而且还能合成采用通常方法难以合成或不能合成的一些化合物（如氟化氙），显示了独特的优越性。等离子体化学反应与已实现工业化的一些高温化学反应、光化学反应、催化反应、放射或辐射化学反应相比具有较高的效率和良好的选择性。在有机合成反应及有机聚合反应中，应用冷等离子体的电子温度高，体系温度低的特点，还可引起环状化合物的环收缩、环扩大、环开裂，有机化合物中的原子或小基团的脱离（如H、CO、CO2等）。

3、低温等离子体技术在空气净化中的应用

近年来，空气污染问题日益严重，对居室、办公室等室内环境的空气污染状况及其净化措施也受到公众的广泛关注。

室内空气污染有其特殊性。一方面室内空气质量受到室外空气的影响，常见的空气污染物有香烟烟雾、有害气体、尘埃、花

粉、孢子、细菌及病毒等；另一方面室内还存在一些特殊的污染源，包括合成建筑材料、家用电器、以及生活在室内的人、宠物、植物等。此外，室内通风情况不佳，也进一步加剧污染程度。

另外，空气中含有相对平衡的正、负离子。研究表明，负离子能降低人体血液中的复合胺浓度，有利于对氧的吸收和利用，加速氧的传输，促进新陈代谢，使人感觉精神愉悦、头脑清醒。正离子则降低对氧的传输，使人产生程度不同的缺氧症状，导致精神萎靡不振、烦躁、紧张、头痛等。一般正负离子浓度处于基本平衡状态，一旦失衡，就会对人体健康造成影响。所以，从某种意义上说，离子失衡也是空气污染的一种形式。空气中的污染物会破坏空气的离子平衡吸收掉负离子，使正离子浓度增加。此外，钢筋混凝土建筑、合成装饰材料、衣服、塑料制品、家具表面以及金属管道也在不断吸收负离子，使空气中的负离子浓度处于极度不平衡状态。

在研究空气净化措施时，不仅要尽力去除各种污染物（包括总悬浮颗粒物和各种有害气体及病菌），还要调节空气中的离子平衡。应用常规的物理过滤原理智能清除尺寸较大的悬浮颗粒物，对尺寸较小的悬浮物及有害气体的清除无能为力，对调节离子平衡也无作用。而使用低温等离子体技术则可以解决这些问题。

3.1、低温等离子体空气净化原理

在特定结构的气道空间内制造常温下等离子体环境，净化腔内部可产生高密度携能电子对气体污染物分子进行轰击，使其电

离、激发并解离，使复杂的大分子污染物转变为简单的小分子安全物质，将有害物转化为洁净的空气释放至室内空间[4]。

同时，高速移动的电子及带电粒子会通过非弹性碰撞附着在空气中固体污染物分子和空气中其他颗粒上附着在集尘极上，完成空气中颗粒物的净化。

在高速粒子击穿、活性基团氧化、等离子体伴生紫外线的多重作用下，进入等离子体空间内的病菌及微生物快速失活并附着于集尘极上。

另外，室内空间中不平衡的正负离子随气流进入等离子体空间后被其中的高能电子中和后释放，室内空气中的离子平衡得到有效调节，使负离子浓度保持在适当的水平，进一步改善了空气品质。

3.2、低温等离子体空气净化技术应用

与物理过滤净化相比，低温等离子体不仅可以清除总悬浮颗粒物，而且可以杀灭病菌及分解有害气体，还可以调节空气中离子平衡。

根据上述低温等离子体空气净化原理，电力魔方等离子体空气净化团队经过多年的论证试验，开发出了适合室内使用的空气净化器。该空气净化器采用模块式结构，主体部分包括一体化的等离子体发生及集尘单元、感测单元、中央控制单元。其中感测单元可实时监测所处环境中的空气质量，并将监测结果反馈中央

控制单元，中央控制单元根据不同的污染情况自动控制电路启动等离子体单元对室内空气进行调节净化。

当前改善室内空气质量的主要方法有：（1）空气过滤方法，由风机、初效、中效、高效（亚高效）过滤器等组成，滤料主要是玻璃纤维、合成纤维、石棉纤维以及由这些纤维制成的滤纸或滤布和有吸附效果的如活性炭等材料，以便对空气中的尘灰及异味进行过滤以净化空气，但是这些多孔滤材会增加空气流动的阻力，而且随着使用时间的延长，其过滤的效果会下降，如不及时进行更换，反而会加重空气的污染，甚至产生二次污染；（2）静电除尘法，通过对循环空气中的尘灰带电，然后利用集尘装置捕集带电的尘灰，达到净化空气的目的，但是这种方法不能够杀灭空气中的细菌以及TVOC等有毒异味气体，而且设置和清洗集成板不便；（3）紫外线杀菌方法，利用紫外线杀灭空气中的病菌，但对空气中的尘灰无能为力，不能够净化空气。（4）低温等离子体净化方法，通过低温等离子体发生器发生的强电离场和气体放电，使空气中的水分子和气体分子电离，经过一系列复杂的激发、离解和电离过程，产生化学性质极其活泼的活性基团，与空气中的污染物发生一系列复杂的氧化还原反应，其中挥发性有机物分子被分解，由此实现空气净化的目的，这些自由基对于微生物也具有强的灭活作用，在消除有机污染的同时实现了灭菌的目的。同时通过带电粒子对尘灰的非弹性碰撞使其带电并加重被集中收集净化。

等离子体空气净化结构主要由高压电源和等离子电离场两大部分组成，目前等离子电离场部分主要有板对板型、线对板型、针对板型及线对桶型等多种结构形式。其存在的技术问题是：空气净化速度慢、净化效果不理想、其结构针对不同空气环境其稳定性差并难于拆卸清洗集尘结构，导致市面上尚无完善的等离子体净化技术产品。

针对现有技术中存在的不足之处，电力魔方技术团队独创了兼具离子风及自吸式的低温等离子体集尘结构。这是一种出风速度快、净化效果好的离子风自吸式低温等离子体空气净化设备。 采用自主开发的专有等离子电源结合特定工艺及材料生产的发射极产生强电离场，配合特殊表面处理及型线结构的多双曲面专利结构的集尘极，组成独有的低风阻、高等离子体密度、高效集尘的等离子体发生结构。

与现有技术相比，电力魔方低温等离子体空气净化设备，发射极产生的强电离场区域会产生指向性稳定可控的高速电子，并在其周围产生伞状等离子体区域，使通过气道的空气充分完全的进入等离子体区域。区域内的电子及带电粒子会非弹性碰撞附着在空气中污染物分子和空气中其他颗粒上一起向集尘极移动，其中带电气体分子的定向运动同时产生离子风大幅降低灰尘在集尘过程中的湍流逃逸。在灰尘通过发射极产生的等离子体区域的时候，会通过非弹性碰撞吸附上高速移动的电子，在库伦力的作用下，带负电的颗粒就会向集尘极运动而附着在集尘极上，完成空

气中颗粒物的净化。TVOC、甲醛及病菌，在通过伞型等离子体区域的时候，高能电子和等离子体区域产生的氧化基团会直接氧化和破坏其分子，使其氧化分解 ，同时高速高能带电粒子对病毒及菌类细胞具有穿透类破坏效果亦可将其杀灭。

该产品体积小巧，净化速度快，空气综合净化效果好，可以不用辅助风机使用；集尘结构的多双曲面结构，增大了空气净化接触面积，具有更强的吸附能力同时便于清洁；采用低温等离子体技术，耗电量低，节能和静音效果显著。

低温等离子体空气净化技术具有物理过滤净化技术不可比拟的优点。在室外污染尚得不到有效控制无法通风换气的情况下，应用该技术控制室内污染将会成为室内空气净化领域的一缕新风。

参考文献

[1] Ionization and Plasmas. The University of Tennessee,Knoxville Department of Physics and Astronomy.

[2] How Lightning Works.HowStuffWorks.

[3] Langmuir,I.,1928,Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 14,627.NASA ADS DOI:10.1073/pnas.14.8.627

[4] Goran Lofroth, et al. Characterization of environmental tobacco smoke. Environ. Sci. Technol. 1989 (23)