低温等离子体技术在环保方面的应用研究进展

低温等离子体技术在环保方面的应用研究进展

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摘要：本文介绍了等离子体相关概念及产生原理，对低温等离子体技术在环境治理方面的应用研究进展做了概述，内容涉及低温等离子体技术对废水和废气的净化处理。关键字：低温等离子体；环保；技术

1、引言

等离子体(Plasma)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，也是宇宙中丰度最高的物质形态[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（Tonks）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磁场等方法使其解离。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[8][9]。但其特性和其他能量较低的物质状态有显著不同。等离子体和气体都没有一定的形状及体积，但两者仍有以下不同之处：

1.4、常见的等离子体

等离子体是宇宙中存在最广泛的一种物态，目前观测到的宇宙物质中，99%都是等离子体，虽然分布的范围很稀薄。

2、等离子体化学理论及其应用研究

2.1、等离子体化学理论

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，能生成XeF6和O2F2等。地球上等离子体只能在实验条件下产生，气体放电是最常用的人工产生等离子体的方法，还可以用微波加热、激光加热、高能粒子轰击方法产生等离子体。例如氘气在温度高到105K时，就形成电子和氘核组成的等离子体，这时的气压可高达常压的1360倍。然而等离子体在自然界却是大量存在的，宇宙中绝大多数（或99%以上的物质，都是以等离子状态存在的）。恒星和星际空间的物质，绝大部分呈等离子状态，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等离子体理论的应用

等离子体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。例如几乎所有的氧化物、硫化物及氯化物在热等离子体的高温条件下都会发生分解，例如锆英石能分解成二氧化锆，是优异的耐火材料（熔点2973K），可用在陶瓷、搪瓷等的着色剂，具有流程短、耗电少、成本低、无三废的优点。四氯化钛被氧化成二氧化钛，粉粒细、成本低、已取代传

统工艺。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，还可能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集团的脱离（如H、CO、CO2等），本文仅对采用等离子体理论处理废水、废气作了研究。

3、低温等离子体技术在环保中的应用

低温等离子体内部富含极高化学活性的粒子，如电子、离子、自由基和激发态分子等。低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废水、废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应已达到分解污染物的目的。

低温等离子体去除污染物的机理中，等离子体传递化学能量的反应过程中能量的传递大致如下：

电场+电子→高能电子

高能电子+分子（或原子）→（受激原子、受激基团、游离基团）活性基团

活性基团+分子（或原子）→生成物+热

活性基团+活性基团→生成物+热

从以上过程可以看出，电子首先从电场获得能量，通过激发或者电离将能量转移到分子或原子中去，获得能量的分子或原子被激发，同时有部分分子被电离，从而成为活性基团；之后这些活性基团与分子或原子、活性基团与活性基团之间相互碰撞后生成稳定产物和热。另外，高能电子也能被卤素和氯气等电子亲和力较强的物质俘获，成为负离子，这类负离子具有很好的化学活性，在化学反应中起着重要的作用。

3.1、低温等离子体技术治理废气