等离子空气净化装置机理分析

等离子空气净化装置机理分析

【摘要】等离子体是一种聚集态物质，其所拥有的高能电子同空气中的分子碰撞时会发生一系列基元物化反应，并在反应过程中产生多种活性自由基和生态氧，即臭氧分解而产生的原子氧。等离子体空气净化工作过程有三部分预荷电集尘，催化净化，负离子发生。基于分子重组原理的新一代空气，净化器利用等离子技术，不仅具有对颗粒污染物的一个净化功能，而且对于气态污染物通过破坏分子间的键能，有效的分解气态污染物，从而达到空气净化作用。

【关键词】等离子体；空气净化；污染物

0.引言

众所周知，随着私家车的普及，城市的道路环境状况越来越令人担忧，发动的汽车所排出的尾气中，混杂有氮氧化合物、碳氢化合物、铅烟、碳烟等多种有害有毒物质。再加上交通路口的频繁停车、起步和怠速运行造成的燃油不完全燃烧，排放的尾气中的有毒有害物质的浓度更高。所以该地段被汽车行驶带起的尘埃中吸附了大量的铅粒、碳烟和有毒的化学物质，使长期工作在上述环境中的环卫人员、交通警察深受其害。

1.等离子空气净化器的工作原理

物质的存在状态随着温度的上升一般会呈现出固态、液态、气态三种物态的转化过程，我们把这三种基本形态称为物质的三态。那么对于气态物质，温度升至几千度时，由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物。我们把物质的这种存在状态称为物质的第四态，它与固态、液态和气态物质比较有不同的物理和化学性质。等离子体按等离子体焰温度分为高温等离子体和低温等离子体其中，按重粒子温度水平还可以分为热等离子体和冷等离子体。非平衡等离子体产生方法主要有低气压辉光放电法、电子束照射法、介质阻挡放电法和电晕放电法等。

本装置选择电晕放电法，作为非平衡态等离子体处理废气技术的具体实现方法中的一种，脉冲电晕放电激发等离子体化学反应过程，目前被认为是去除气相有害物质的很有前途的方法。其基本原理是在室温、常压条件下，由前沿陡峭、脉宽窄的脉冲高压，在电晕线极附近产生激烈的脉冲电晕放电，利用脉冲电晕放电产生的高能电子同废气中气体分子作用而产生丰富的离子和自由基等活性粒子，这些活性粒子再同污染物分子发生氧化或还原反应生成低毒性的无机小分子化合物。由于脉冲上升时间短，只能使电子能量剧烈增加，而离子和原子之类的重粒子其温度可降低至300K，形成低温等离子体。因为电子与电子之间处于同一热力学平衡态，这就意味着电子具有足够高的能量以使反应物分子激发、离解、电离，反应体系又得以保持低温，这样设备投资少，节省能源。

等离子体空气净化器工作原理分为三个部分：

1.1预荷电集尘

其基本原理是利用极不均匀电场，形成电晕放电，产生等离子体，其中包含的大量电子和正负离子在电场梯度的作用下，与空气中的颗粒污染物发生非弹性碰撞，从而附着在上面，使之成为荷电离子，在外加电场力的作用下，被集尘极所收集。静电集尘是一个物理过程，在这个过程中，对悬浮在空气中直径小于100μm 的总悬浮颗粒和直径小于10μm 的可吸入颗粒有较高的清除效率。

1.2催化净化

以高能电子与气体分子碰撞反应为基础，利用前后沿陡峭的脉冲高电压，形成高频脉冲电晕放电，在一定空间产生非平衡态低温等离子体。其催化净化机理包括两个方面，在产生等离子体的过程中，高频放电产生的瞬时高能量，打开某些有害气体分子的化学键，使其分解成单质原子或无害分子。等离子体中包含了大量的高能电子、离子、激发态粒子和具有强氧化性的自由基，这些活性粒子的平均能量高于气体分子的键能，它们和有害气体分子发生频繁的碰撞，打开气体分子的化学键生成单原子分子和固体颗粒，同时产生的大量自由基和氧化性极强臭氧与有害气体分子发生化学反应生成无害产物。催化净化可以清除空气中绝大部分碳氧化物、氮氧化物、碳氢化合物和其他一些有害气体分子。

图1 NO转换示意图

1.3负离子发生

在产生等离子体的同时，也会产生大量的负离子。利用放电的方法，产生负离子，在风力驱动下，将其扩散到室内空间。负离子一方面调节了空气中的离子平衡，另一方面，它还能有效地清除空气中的污染物。高浓度的负离子同空气中的有毒化学物质和病菌悬浮颗粒物相碰撞使其带负电。则这些带负电的颗粒物就会吸引其周围带正电的颗粒物。这种积聚过程一直持续到颗粒物的重量足以使它降落在地面为止。

2.等离子空气净化器结构

等离子空气净化装置既是负离子产生源又是空气净化装置。主要构件是负电晕放电区和通风风扇。电晕线上加有负高压，形成负电晕放电，在其周围形成空间电荷区，产生大量的负离子，负离子随着气流进入室内，起着空气质量调节和净化作用，负直流高压电源接到电晕线上，对地线开始电晕放电，脉冲电源图如2所示。

图2 脉冲电源电路

电晕线周围的空气在高压下电离，其中，正离子在强大的负电压电场下，被

吸引至电晕线上，负离子则向正极方向移动，在风机的作用下，进入到外部空气，部分与空气中的粉尘结合，迅速下降，起到净化空气的作用。在负电晕放电过程中除产生负离子外同时产生臭氧，从而影响了室内负离子空气净化器的推广使用。

本装置使用电晕线加热的方法抑制负电晕放电过程中臭氧产生和降低负离子发生器的臭氧浓度，其原理是：电晕线加热，使电晕线温度升高，降低电晕线内金属原子与表面的势能差，减小电子从原子外层脱出的逸出功，使外层电子在较低能量作用下，就从原子中脱出，飞出电晕线表面等离子发生器的两个主要性能参数是负离子浓度和臭氧浓度。负离子浓度决定着净化效率，负离子浓度、臭氧浓度、电晕电流随着放电电压的升高增加，加热可以提高负离子浓度、增加电晕电流，而降低臭氧浓度。

3.等离子空气净化装置的优点

等离子体是一种聚集态物质，其所拥有的高能电子同空气中的分子碰撞时会发生一系列基元物化反应，并在反应过程（下转第53页）（上接第51页）中产生多种活性自由基和生态氧，即臭氧分解而产生的原子氧。活性自由基可以有效地破坏各种病毒、细菌中的核酸，蛋白质，使其不能进行正常的代谢和生物合成，从而致其死亡；而生态氧能迅速将多种高分子异味气体分解或还原为低分子无害物质。另外，借助等离子体中的离子与物体的凝并作用，可以对小至亚微米级的细微颗粒物进行有效的收集。空气中负离子的含量是空气质量好坏的关键。负离子不仅可高效杀灭家居空气中因长期密闭而日趋增多的烟雾、灰尘、细菌，更可中和空气中的正离子，活化空气，改善肺功能，改善心肌功能，改善睡眠，促进新陈代谢，增强人体抗病能。基于分子重组原理的新一代的空气净化器，利用等离子体技术，不仅具有对室内颗粒污染物的一个净化功能，而且对于气态污染物，通过破坏分子间的键能，有效地分解气态污染物，从而达到了净化空气的作用。[科]

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