燃料燃烧与污染物排放控制

等离子体-光催化耦合空气净化技术的研究

摘要本文针对低温等离子体与光催化耦合净化空气污染物技术的基本原理，设计了一套等离子体与光催化耦合空气净化装置，并对该装置的工艺流程和主要组成部分的设计进行了详细的描述。以某特定密闭空间典型空气污染物为处理对象，对装置进行了净化效果的验证试验，试验表明，耦合装置在全功能运行状况下对甲醛、二氧化氮、氨、二氧化硫、硫化氢等五种典型有害气体的净化效果更为突出，优于等离子与光催化简单组合的理论净化效果。最后，结合等离子体-光催化技术的研究现状，进一步验证了耦合装置良好的净化效果。

关键词低温等离子体；光催化；空气净化

0前言

继18世纪工业革命带来的“煤烟型污染”和19世纪石油和汽车工业带来的“光化学烟雾污染”之后，现代人正在经历第三污染时期:"室内环境污染”时期。随着人们生活水平的不断提高，人们对居住环境和办公环境的舒适性、美观性的要求越来越高，大量采用新型建筑材料、装饰材料及新型涂料等楼房建筑和室内装修，再加上电脑等现代办公设备以及家用电器的普及，使得室内空气中出现上百种挥发性污染物质(VOC)，可以引发人体三十多种疾病，甚至癌症[1]。

当前，主要的空气污染物净化处理技术包括：过滤、吸附、液相吸收、催化转化、静电净化、负离子空气净化、生物净化、燃烧、冷凝和近年来新兴的低温等离子体净化、光催化等技术等。通过比较分析，我们发现过滤净化技术、吸附净化技术、液相吸收法净化技术、催化转化法净化技术、静电净化技术、负离子空气净化技术、生物净化技术、燃烧法、冷凝法等技术都不适用于该特定密闭环境的空气净化。原因是它们对许多难降解有害气体，尤其是挥发性有机物的处理效果不佳；或者由于使用环境条件的限制，难以应用到密闭环境中。

而近年来新兴的低温等离子体净化、光催化技术具有降解速率快、耗能少、净化彻底、处理范围广、无二次污染、可在常温常压下进行等优点，特别是在处理难降解挥发性有机物方面有明显的优越性，适于密闭环境空气污染物的净化处理。等离子体技术和光催化技术具有广阔的应用前景，已成为近年来研究的热点。而将低温等离子体和光催化这两种技术有效结台以利于更好地净化空气，己成为研究的一个新的方向。

1等离子体-光催化技术空气净化基本原理

1.1光催化技术的基本原理

光催化技术是20世纪70年代发展起来的一门新兴技术，被认为是室内空气

污染净化技术的一次革命。光催化技术就是利用具有光催化活性的半导体材料在

光照下激发出的电子和空穴对参与光化学反应完成对有机气体或者微生物有机

体质的去除。由于电子-空穴对是在光照的作用下产生的，又被称作光生载流子。

光催化剂是一类在光的照射下自身不起变化,却可以促进化学反应,具有催

化功能的半导体材料的总称。目前，光催化剂大多采用纳米级半导体，主要因为：(a)纳米半导体粒子具有更强的还原及氧化能力，从而提高其光催化活性；(b)对

于纳米半导体粒子而言，其粒径通常小于空间电荷层的厚度，光生载流子可通过

简单的扩散从粒子内部迁移到粒子表面，而与电子给体或受体发生还原或氧化反应。TiO2作为一种光催化剂,具有超亲水性、无毒性、永久性和自净性,在吸收太

阳光或照明光源中的紫外线后,在紫外线能量的激发下发生氧化还原反应,表面

形成强氧化性的氢氧自由基和超氧阴离子自由基,把空气中游离的有害物质如氯

代物、醛类、酮类以及芳香族化合物[2]及微生物分解成无害的CO2和水[3],从而

达到空气净化、除臭、杀菌、防霉、防污以及抗紫外线等目的,得到了社会各界

的广泛认同。

然而,光催化技术在实际应用中却存在三大问题:一是光照条件的限制,必须

有波长小于400nm的紫外光的存在,二是光催化效率仍较低、性能不稳定。光催

化剂在晚上无光照和家庭室内存在光照不足时,就会对某些有害气体分解不充分,形成新的对人体更为有害的中间体。三是产品生产成本高,市场价格比较昂贵,

所以,目前该技术的使用还是受到了部分的限制。

1.2等离子体技术的基本原理

环境领域内常用的等离子技术是低温等离子体。在外加电场的作用下，气体

放电产生大量等离子体，气体中产生的大量自由电子在电场力的作用下获得能量，其中有机物形成的键能大部分都在这些活性粒子能量范围内，如表1所示：

表1 活性粒子能量范围及污染物键能

活性粒子能量（eV）键能量（eV）键能量（eV）气体种类键能（eV）电子0-20 C-C 3.6 C-N 3.0 NO 6.56 离子0-2 C=C 6.3 C=N 9.8 NO2 6.17

激发态粒子0-20 C-H 4.3 C-Cl 3.4 SO2 3.80 光子3-40 C-O 3.6 C-F 4.6 CO216.56

C=O 7.5 H2S 5.43 由表1可知有机物的键能以及无机污染物的键能在低温等离子活性粒子的

能量范围内，因而使等离子体在理论上对于污染物的去除成为可能。

等离子体对污染气体的处理包括多个方面：(a)其中包含大量的电子和正负

离子，在高压电场梯度作用下，首先与空气中的颗粒污染物发生非弹性碰撞，从而附载在其上面，使之成为荷电离子，然后在电场作用下沉积，这是其中的一个物理过程，即静电除尘过程；(b)非平衡态等离子高能电子、离子等与污染物分子发生弹性碰撞，这些活性离子的平均动能高于污染物分子的健能，污染物分子在这些高能电子轰击下，电离和解离，使复杂大分子污染物转变为简单小分子物质，或使有毒有害物质转变为无毒无害或低毒低害物质，从而使污染物得以去除；

(c)另外，与一些气体碰撞过程中使其激发，激发态的分子极不稳定，很快回到基态而辐射出光子，具有足够量的光子照射到电晕极上可能导致光电离而产生光电子，继续维持放电的进行，产生更多的高能粒子；(d)对电子亲和力强的一些分子，例如O2和H2O，一部分通过碰撞激发大量-OH，-H02，-O等自由基，这些自由基具有强氧化性，可将污染物氧化去除，另一部分可形成负离子，提高空气品质。

1.3 等离子体-光催化技术去除污染物的基本原理

等离子体与气体接触过程中会产生大量活性物质并与有害气体发生化学反应生成无害产物。光催化剂(TiO2)在光照下生成电子-空穴对，并向粒子表面迁移，与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化或还原反应。

这两种技术的结合可以选择不同的方式。一是分步进行，即两种技术运用相对独立。二是协同进行，即将光催化剂置于等离子体反应区域中，低温等离子体与光催化耦合反应。由于耦合反应会促进这两种净化技术功能的发挥，能够起到简单分步结合方式所不能达到的综合净化效果。同时能提高能源利用率，因此成为主要研究形式[4]。

低温等离子体-光催化系统里,去除污染物过程既有等离子体化学反应过程又有光催化反应过程,两者之间也可能存在协同用在等离子产生过程中,待处理的污染物受高能电子轰击可以直接被分解成单质或转化为无害物质[5]。另外,高能电子的轰击使污染物电离、离解、激发,产生了大量等离子体。等离子体中的离子、电子、激发态原子、分子及自由基都是极活泼的反应性物种,使通常条件下难以进行或速度很慢的反应变得十分快速,它们再进一步与污染物分子、离子反应,从而使污染物得到降解,尤其有利于难降解污染物的处理。另外,由于活性离子和自由基气体放电时一些高能激发粒子向下跃迁能产生紫外光线,当光子或电子的能量大于半导体禁带宽度时,就会激发半导体内的电子从价带跃迁至导带，形成具有很强活性的电子-空穴对,并进一步诱导一系列氧化还原反应的进行。光生空穴具有很强的获得电子能力,可与催化剂表面吸附的O-H和H2O发生反应生成羟基自由基,从而进一步氧化污染物。由于等离子体放电光催化过程有大量等离子体、强活性电子冲击、紫外线辐射等综合因素的协同作用,因而可以更快速有效地分解空气中有害物质和灭菌除臭。