等离子体技术的应用

等离子体技术的应用

-------废气处理及航天推进器

等离子体是一种电离气体，由电子、离子、中性粒子等组成，属于物质的高能凝聚态。等离子体中含有大量的带电粒子，使得它与普通气体有着本质的区别，具有很多普通气体没有的特性。对等离子体的研究己发展成为一门独立的物理学分支——等离子体物理学，等离子体物理学在工程技术中的应用形成了大有发展前景的专门技术，即等离子体技术。近年来，等离子体技术的实际应用获得了快速的发展，应用领域越来越广泛。目前，世界各国正加紧研究把等离子体技术用于武器系统隐身、通信和探测、火炮发射、飞行器拦截、环境污染、航天推进等方面，等离子体技术的应用对未来具有深远的意义

一、环境污染

近几年来，等离子体技术在能源、信息、材料、化工、物理医学、军工、航天等领域中大量应用，同时，国外许多研究机构不断将等离子体技术应用在环境工程中。目前，等离子体技术处理废水、废气及固体废弃物的研究已经取得了一定进展。在环境监测中电感耦合等离子体原子发射光谱法和质谱法已广泛应用于生态环境监测体系中(包括大气、水、土壤等)微量元素的测定。在大气污染治理中主要应用于烟气净化、脱硫、脱硝等方面。在水污染治理中主要应用于高浓度有机废液、垃圾渗滤液等废水的治理。在固体废物处理方面，等离子体技术逐渐取代传统的焚烧法应用于城市固体废弃物及生物武器、化学武器、化学毒品等特种固体废物的处理。1997年，美国开始采用等离子体废物处理系统处理军方废弃武器，1999年初，美国、欧盟、日本等逐渐关闭焚化炉后开始转向等离子废物处理系统，目前，瑞典、美国、德国、日本等国已建立了一定规模的城市固体废物的等离子体处理厂。

随着工业现代化的不断进步和发展，排放到大气中的硫氧化物、氮氧化物及有机废气等不断增加，大气污染造成的大气质量的恶化、酸雨现象、温室效应及臭氧层破坏足以威胁人类在地球上的生存和居住，其后果十分严峻，废气排放造成的环境污染问题逐渐引起人们的广泛重视。大气压等离子体技术是一门新兴的环境污染处理手段，其在废气处理应用中具有成本低，效果好、操作简单，无需高价格的真空系统等特点，具有广泛的应用前景。大气压等离子体技术的实质也就是气体放电原理，气体在电场作用下被击穿而导电，由此产生的电离气体叫做气体放电等离子体。大气压等离子体分解气态污染物的机理为：等离子体中的高能电子在大气压等离子体分解气体污染物中起决定性的作用，数万度的高能电子与气体分子(原子)发生非弹性碰撞，巨大的能量转换成基态分子(原子)的内能，发生激发、离解以及电离等一系列物理和化学变化使气体处于活化状态。电子能量小于10ev时产生活性自由基，活化后的污染物分子经过等离子体定向链化学反应后被脱除。而当电子平均能量超过污染物分子化学键结合能时，污染物气体分子键断裂，污染物分解，在大气压等离子体中可能发生各种类型的化学反应，反应程度取决于电子的平均能量、电子密度、气体温度、污染物气体分子浓度及共存的气体成分。大气压等离子体在废气处理中应用的机理是在等离子体中的高能电子、离子、自由基、激发态分子和原子等的作用下，将NOx与SO2被氧化成更易参与反应和更易吸收的NO2和SO3，从而实现对废气的净化处理。大气压等离子体降解污染物是一个十分复杂的过程，而且影响这一过程的因素很多，虽然目前已有大量有关低温等离子体降解污染物机理的研究，但还未形成能指导实践的理论体系，使其工业应用缺乏理论保障。其

次要实现处理装置的大型化与小型化双向发展，处理装置的大型化与小型化是等离子体技术今后发展的两个方向。

二、等离子体航天推进

火箭发动机的燃烧效率和燃烧稳定性都是与等离子体密切相关的问题。等离子体喷涂可用于火箭喷口和飞行器在大气时驻点加热的耐高温防热层。利用等离子体表面处理提高复合材料强度后，飞行器重量可以减轻，从而可以大量节省推进器的燃料。脉冲等离子体火箭可用于卫星飞行的姿态控制。导弹再人大气时，通讯中断是由于天线表面等离子体鞘对电波传播的影响。利用等离子体特殊化学反应性能，可以进行潜艇密封舱内空气的净化和发动机尾气的解毒。原子弹，氢弹、激光武器、粒子束武器都是等离子体科学技术所涉及的重要领域。

为了更好地探索太空，人们正在努力把等离子体用于航天推进技术一般的化学燃料推进剂，由于受化学反应的影响，排气速度、推力和可用能量受到限制。利用等离子体技术研制的推进器，只要电源保持供给足够的电能，其推进器在理论上可以达到的比冲没有限制，即使由于技术上的原因，等离子体推进器的比冲也比化学燃料推进器的比冲大。利用等离子体推进器不仅可以节约时间，而且可使宇航员不受太空辐射，因此，等离子体技术将可能为人类探索太空和飞离太阳系创造前所未有的条件。

运用等离子体技术还可以将热能直接转换成电能，进行磁流体发电，这将为正在研制中的高功率微波武器、强激光武器和粒子束武器等提供高效、可靠的能源保障。此外，等离子体技术也可用于高温润滑、核武器等方面。尽管目前等离子体技术用于军事领域还存在着各种问题和局限性，但可以肯定，随着科学的发展和技术的不断进步，等离子体技术在未来战场上必将发挥更大的作用。

等离子体科学技术是一门交叉学科，也是一项综合性技术，它的应用十分广泛。有些领域应用等离子体科学技术已达到工业化阶段，并产生重大的经济效益，有些领域的应用处于实验阶段，还有的待进一步探索。因此，在已经应用的领域需要进一步提高技术外。许多尚待开发的项目仍需要进行大量的实验和理论工作，等离子体应用的机理是重要的研究内容。等离子体的均匀性，重复性及其效果的稳定性是重要的技术问题。快速、连续化等离子体系统的设计也是工业应用的重要环节。美国《等离子体消息报道》编辑部根据他们与国际上几十个国家的广泛联系所得到的情报认为科技界。工业界对等离子体科学技术的兴趣日益增长，各国在这方面的投资和经费预算在增加。并预言等离子体科学技术的应用不久将有新的突破。

北京交通大学海滨学院