等离子体及其在环境中的应用

1、等离子体及其在环境中的应用,主要内容,等离子体简介 等离子体的基本性质 低温等离子体（非平衡等离子体）的发生形式 等离子体在环境中的应用,一、等离子体简介,等离子体（plasma）是电离了的气体，由正离子（和负离子）、电子、以及一些中性粒子和基团组成，其电离程度可处在从100%（完全电离的气体）到非常低（10-410-6，部分电离气体）的比例范围内。,等离子体通常被称作物质的第四态，宇宙中绝大部分的可见物质均处在等离子态，而在日常生活当中，火焰、霓虹灯、闪电都是（或部分是）不同种类的等离子体。,二、等离子体的基本性质,等离子体在宏观上近似呈电中性； 含有大量的自由电子、带电粒子，以及一些激发状

2、态的粒子，是一种特殊的导电流体； 表现出一定的金属导电性、导热性和化学活泼性。,对气体加以足够强的电场或电磁波、光辐射，或使其加热到足够高的温度等，均能使气体发生电离产生等离子体。 等离子体主要分为两类：一类是高温等离子体或叫做聚变等离子体，另一类是低温等离子体或气体放电等离子体。 另一方面，根据等离子体是否处在局部热平衡状态，即重粒子（原子、离子等）与电子发生充分热交换而温度相等，又可分为局部热平衡等离子体（电子温度与重粒子温度近似相等）和非局部热平衡等离子体（电子温度远高于重粒子温度）。,三、低温等离子体（非平衡等离子体）的发生形式,低温等离子体通常是由气体放电的方式产生。气体的放电方式一

3、般有如下几种：辉光放电(Glow discharge)、电晕放电(Corona discharge)、介质阻挡放电(Dielectric barrier discharge, DBD)、射频放电(Radio frequency discharge和微波放电(Microwave discharge)。,辉光放电,一般在低气压条件下进行，放电电压通常较低，产生的电子的能量也较低。,电晕放电,是气体介质在不均匀的电场中产生的局部自持放电，是一种常见的放电形式。产生机理是在曲率半径很小的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，从而使气体发生电离和激励。发生电晕时可在电极周围看到微弱的光亮，同

4、时伴有“咝咝”声。,正、负电晕放电随电压变化的图像,介质阻挡放电（ DBD),也叫无声放电。结合了辉光放电和电晕放电的优点，可以在大气压条件下产生大面积低温等离子体32，且体系温度与活性粒子的密度均适中。将绝缘介质插入两个电极之间，防止电极的直接击穿形成火花弧光放电，从而形成均匀稳定的大面积等离子体。,空气中不同气压下的放电图像,不同气体介质下的放电图像,四、等离子体在环境中的应用,高压放电技术作为产生低温等离子体的主要手段，可以用于大气污染治理，如烟气脱硫脱硝、电除尘、有机废气处理，可以用于水和食品的处理及灭菌，还能作为臭氧发生源。,烟气脱硫脱硝,在气相中，通过高能电子激发，高压放电能够引发

5、复杂的化学反应，包括自由基反应、离子分子反应、受激粒子反应和自发化学反应等。借助上述反应过程，高压放电能够改变二氧化硫和氮氧化物的价态，进而实现脱硫脱硝。,电除尘,电除尘器是利用电晕放电产生的大量离子使得粒子荷电，并使荷电粒子在电场力的驱动下移向集尘板，从而将微粒从气流中分离出来的装置。用电除尘的方法分离、捕集气体中的尘粒。,空气净化,臭氧发生器,臭氧是一种氧化和杀菌性能极高的氧化剂，被广泛用于食品加工存储与保鲜、医疗卫生及餐具消毒和水处理等行业。臭氧易分解为氧，不便于收集贮存，必须在常温或低温下现场生产。臭氧的主要生产方法有紫外照射法、电解法、放射化学法和介质阻挡放电(DBD)法。目前DBD法是大规模生产臭氧的主要方法。,有机气体处理,高压放电法是一种十分有前景的 VOCs 处理技术。VOCs 分子等与放电产生的高能粒子碰撞，被分解为小分子，同时活性自由基（如OH 和O）等进一步与 VOCs分子及其初步分解产物反应，最终将VOCs完全降解为无害的CO2和H2O等。,高压放电水处理,水下高压放电是在由尖端电极极不均匀电场中产生的。还可向溶液通入气体，促进局部放电和等离子体通道的形成、增加活性物质数量，从而处理难降解有机废水和水体消毒灭菌。,等离子体处理过程中