高电压技术在环境保护的应用

等离子体技术在环境污染治理中的应用Abstract:The generative mechanism ,method,sort,andfeature of plasma are described.The application development of plasma technology is discussed on air pollution,water pollution and solid wastes in environmental pollution treatment.The applicative prospect of the technology is presented in waste disposal.

摘要: 阐述了等离子体的产生机理、方法、分类及特点,从大气污染、水污染和固体废物三方面论述了等离子体技术在环境污染治理中的应用进展,展现了等离子体技术在废物处理中的应用前景。

关键词：等离子体环境污染废物处理前景技术

随着人类生产活动和生活活动的不断扩大 , “三废”废物量和种类呈急剧增加的趋势。污染不仅给生态环境造成了严重的破坏 ,也给人类自身带来不可估量的危害。而传统的物理、化学处理以及燃烧等废物处理技术已远远不能适应需要 ,费用低、处理彻底、无二次污染的新型废物处理技术成为环保领域里一个急待解决的研究开发课题。

1、等离子体概况

等离子体是由电子、离子、自由基和中性粒子组成的导电性流体。整个体系呈电中性 ,具有与一般气体不同的性质 ,容易受磁场、电场的影响 ,称为物质第四态。它为化学反应提供必须的能量粒子和活性物种,在化学工业、材料工业、电子工业、机械工业、国防工业、生物医学和环境保护等方面有着广泛的应用。

1. 1等离子体产生的机理及方法

当气体分子以一定的方式在外部激励源的电场被加速获能时 ,能量高于气体原子的电离电势时 ,电子与原子间的非弹性碰撞将导致电离而产生离子电子 ,当气体的电离率足够大时 ,中性粒子的物理性质开始退居次要地位。整个系统受带电粒子的支配 ,此时电离的气体即为等离子体。等离子体发生器有以下两大类共计八种产生方法。

等离子包括放电等离子和化学等离子 ,放电等离子可分为有电极和无电极两类。有电极有电弧放电、辉光放电、电晕放电和无声放电。无电极有高频感应、微波放电和激波放电。其中电弧放电、辉光放电和高频放电分直流和交流两种。电弧直流放电有内极和外极之分。

1. 2等离子体的分类及特点

按热力学状态不同和中性气体温度的高低 ,等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体 ,而低温等离子体可分为热等离子体、冷等离子体和燃烧等离子体。

热等离子体为局域热力学平衡态等离子体 ,是由高强度直流电弧放电与高频感应耦合放电产生的 ,其特点是重粒子(原子、分子、离子)温度接近于电子温度;冷等离子体是非平衡等离子体 ,是由辉光放电、微波放电、电晕放电或无声放电产生的 ,其特点是电子温度远远高于重粒子温度;燃烧等离子体通过燃烧形成 ,其特点是电离度极低。根据高能电子的来源 , 等离子体又可分为电子束照射法和脉冲电晕等离子体法。等离子体的应用技术因其特点而异 ,平衡态等离子体技术利用等离子体的物理特性;而非平衡态等离子体技术则利用其中的高能电子(0～20eV)参与形成的物理、化学反应过程 ,在这一过程中 ,高能电子起决定性作用 ,离子的热运动只有负作用[1 ]。

低温等离子体技术正是利用这一特点解决环境中“三废”污染问题 ,同化学或其它的方法相比 ,等离子体具有更高的温度和能量密度 ,等离子体能够产生活性成分 ,从而引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学反应。

2. 1脱硫脱硝

在工业废气中 ,对环境影响最为严重的污染物是硫氧化物和氮氧化物。等离子体技术是 20 世纪70年代发展起来的同时脱硫脱硝技术 ,该法的基本原理是利用等离子体活化产生的强氧化的自由基 ,并在氨气的参与下 ,将烟气中的SO2 和NOX转化为硝酸铵、硫酸铵和其复盐的固体微粒。

其中电子束法(EBA法)和脉冲电晕放电法(PPCP 法)应用于烟气脱硫脱硝已达工业性试验阶段[2 ]。

子束法是靠电子加速器产生高能电子束[ (400～800) keV]来辐照烟气 ,使其产生活性物质(如· OH ,· HO2 ,· O) ,促进分子间的化学反应。脉冲电晕放电法是从电子束法发展而来的烟气脱硫脱硝技术 ,其机理与电子束法基本相同 ,它是靠脉冲高压电源在普通反应器中形成等离子体 ,产生高能电子[ (5～20) eV] ,形成如下:

O2 + e → 2O + e·H2O + e·→H + OH + e

H + O2 →HO2 O2 + O→ O3

虽然电子束多段照射法成功解决了 SO2 氧化和回收率问题,但它需要有严格的庞大的放射线的防护设置,且电子加速器昂贵,电子能量损失大,维护工作量大。

由于窄脉冲电晕放电等离子体中电子平均能量低于3eV ,没有解决SO2 氧化和铵盐回收率难题,国内白希尧等[3]通过强电场电离放电脱硫的研究,有效地解决了热化学脱硫的SO2 氧化和铵盐回收率问题,铵盐回收率达到88 %以上,放电能耗低于9Wh/ Nm3,为烟气脱硫提供了一项低成本有效的新方法。

2. 2汽车尾气治理

汽车尾气污染是一个全球性问题。由于汽车相对集中在城市 ,单车排放因子高 ,故汽车排放的黑烟(颗粒物) 、 NOX、 CO和 HC等已成为城市地区的主要大气污染物。等离子体技术用于汽车尾气污染治理主要有两种方式 ,即机内净化和机外净化[4 ]。

前者的原理是将空气离子化 ,即将空气送入内燃机之前 ,利用低温等离子体臭氧发生器将空气中的氧转化为臭氧 ,然后进入燃烧室便分解为负氧离子 ,使火焰膨胀 ,促进燃烧 ,从而提高了反应速率。

机外净化技术要有电晕放电、介电位垒放电、沿面放电等几种形式 ,利用等离子体体系中的活性物种强化(催化)氧化—还原反应 ,将汽车尾气中的有害物质通过氧化、还原或离解而转化为无害或低害物质以达到降低环境污染的目的。其中介电位垒放电可在低温条件下实现 HC、 CO、 NOX和 SO2 的氧化 ,可捕集颗粒物 ,是处理汽车尾气的一项新颖技术。

2.3粉尘、飘尘的净化

工业废气中粉尘和飘尘以气态和气溶胶态长期悬浮在空气中 ,对大气环境造成了严重的污染 ,其中粒径在(0. 1～5)μm 之间的颗粒对人体危害最大。非平衡等离子体技术可以有效地清除废气中的这些颗粒物 ,其处理机理是:通过非均匀放电(电晕放电)产生的非平衡等离子体 ,其中的电子和离子在梯度场的作用下和废气中的颗粒物相互碰撞并附着在这些粒子上 ,使之成为荷电粒子 ,进而被集尘极所收集。

处理过程分三个阶段 ,第一阶段:e +M→ Mˉ ;第二阶段:Mˉ+ SP (固体颗粒) →(SPM)ˉ ; 第三阶段:(SPM)ˉ→SPM(沉积在集尘极上) 。

电晕放电电集尘装置被广泛用于去除废气中的尘埃粒子 ,工业用的电集尘装置大多采用火花电压高的负极性电晕放电 ,室内空气净化用的电集尘装置多