低温等离子技术及在净化VOC中的应用

低温等离子技术及在净化VOC中的应用

摘要：低温等离子体技术是一种处理VOC s的高新技术，以其能耗低、效率高、设备简单、操作可靠等优点，很受人们重视。本文主要介绍了有机废气的来源与危害，低温等离子体的产生、处理机理及该技术的应用现状、存在的问题和研究方向。

关键词：VOCs 低温等离子体机理

引言：

随着社会的发展，人类生活水平的提高，人类活动所造成的环境污染日趋严重。人类每年所排放的VOC的量也逐年增多，严重影响人们健康，VOC的污染控制已刻不容缓。低温等离子体技术作为一种处理VOC s的高新技术，以其能耗低、效率高、设备简单、操作可靠等优点，具有很好的应用前景，受到人们广泛的研究。

一、VOC的来源、危害及治理方法

VOCs是挥发性有机化合物的简称，不同的地方对VOCs的定义各不相同。在我国VOCs通常是指在常温下饱和蒸汽压约大于70Pa，常压下沸点小于260℃的有机化合物。VOCs来源主要分为两类:第一类是自然源,VOCs的排放来自植被的次生代谢反应，为不可控排放源；第二类是人为源，主要有石油生产、运输过程中的挥发；石油化工及制药等行业排放的废气,油漆、涂料生产和建材、制革等工艺中挥发的有机溶剂，汽车等燃油交通工具排放的尾气以及家庭排放的油烟等。近年来、人为源的贡献率比例逐年上升、一个工业化国家每年排入大气中的VOC数量达数百万吨之多，。

VOCs的危害主要有以下几方面：

（1）大多数VOCs有异味且有毒,其中许多VOCS能使人体发生病变,甚至致癌部分已被列为致癌物。

（2）在光线的照射下,许多VOCs很容易与一些氧化剂发生光化学反应,生成光化学烟雾,危害人体健康,影响农作物生长; （3）某些卤代烃可能会导致臭氧层的破坏；

（4）很多VOCs属于易燃、易爆类化合物,给企业生产造成较大安全隐患。

目前、VOC的处理方法主要有两类:一类是回收法。回收法是通过物理方法,在一定温度、压力下,用选择性吸附剂和选择性渗透膜等方法来分离VOCs,主要包括活性碳吸附、变压吸附、冷凝法和生物膜法等;另一类是消除法（也称破坏法）。消除法是通过化学或生物反应,用光、热、催化剂和微生物等将有机物转化为水和二氧化碳,主要包括热氧化、催化燃烧、生物氧化、电晕法、等离子体分解法、光分解法等。

二、等离子体概述

2.1 等离子体的基本概念

等离子体是不同于固、液、气等状态的物质存在的第四种状态，由于其中正电荷和负电荷的总数基本相等，因而，其整体表现为电中性，故称为等离子体。它具有以下特性：

（1）从微观角度来看，带电粒子虽有正负带电粒子之分，但在宏观尺度内呈电中性；

（2）带电粒子之间不存在净库仑力；

（3）它是一种优良导电流体，利用这一特征已经实现磁流体发电；

（4）带电粒子之间无净磁力；

（5）电离气体具有一定的热效应。

等离子体的分类方法有很多，根据其离子的温度不同可分为平衡等离子体（也称高温等离子体）和非平衡等离子体（也称低温等离子体）。在平衡等离子体中, 电子与其它粒子的温度相等, 一般在5000K以上。在非平衡等离子体中 , 电子温度一般要高达数万度 , 而其它粒子的温度只有 300～500K。根据产生源的不同 , 等离子体又可分为辐射等离子体和放电等离子体。

2.2、低温等离子体的产生方法

低温等离子体主要是由气体放电产生的。所谓气体放电是指, 通过某种机制使一个或几个电子从气体原子或分子中电离出来, 形成的气体媒质称为电离气体, 如果电离气体由外电场产生并形成传导电流 , 这种现象称为气体放电。

气体放电方式可分为以下几种：

（1）辉光放电(Glow discharge)

直流辉光放电是在10^-2～102Torr(1Torr=1.33×102Pa)的低气压下，在两个导电电极（阴极和阳极）之间加上102～103V 的直流电压。放电腔体重的游离电子（宇宙射线产生的）在电场的作用下，被加速而获得能量，从而与中性气体碰撞电离形成等离子体。

（2）电晕放电 (Corona discharge)

电晕放电分为脉冲电晕放电和直流电晕放电。电晕放电是使用曲率半径很小的电极，如针状电极或细线状电极，并在电极上加高压，由于电极的曲率半径很小，靠近电极区域的电场特别强，发生非均匀的局部稳定放电，形成等离子体，电晕放电可在常压下进行, 但能量过于集中 , 很难获得大体积的等离子体;

（3）介质阻挡放电 (Dielectric barrier discharge , DBD)

介质阻挡放电结合了前两者的优点, 是由大量丝状击穿通道组成，用电介质层将两电极隔开，在两电极间加上足够高的交流电压时，电极间隙的气体就会击穿，形成放电。介质阻挡放电可以在常

压下产生大面积的低温等离子体;

（4）射频放电 ( Radio frequency discharge )

射频放电的电极通常安装在放电空间的外部，利用高频率通过电感和电容耦合使反应器中的气体放电形成等离子体。由于射频低温等离子的放电能量高、放电的范围大,现在已经在材料的表面处理和有毒废物清除和裂解中得到应用.

（5）微波放电(Microwave discharge)。

微波等离子体是用微波能电离形成的,其发生器本身没有内部电极,从而消除了电极污染和腐蚀,有利于高纯化学反应和延长设备的使用寿命。

目前，上述五种放电方式中，脉冲电晕放电和介质阻挡放电在工业中应用较广泛。

三、低温等离子体处理VOC的机理

低温等离子体中通过突变电、磁场获得具有极高化学活性的高能粒子（电子、离子、活性基团和激发态分子）与气体分子、原子发生非弹性碰撞，将能量转换成基态分子、原子的内能，发生激发、离解、电离等一系列过程使气体处于活化状态，以至很多需要很高活化能的化学反应能够发生。当电子能量较低时（小于10eV），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。当电子平均能量超过污染物分子化学键结合能时，污染物分子发生断裂而分解,同时高能电子激发产生·O, ·OH, ·N 等自由基。由于·O 和·OH具有很强的氧化性,最终可将VOC转换为SO2 , NOx , CO2 , H2 O。研究表明，等离子体分解气态污染物可以通过以下两种途径进行：

（1）高能级电子直接作用于污染物分子

e+污染物分子→各种碎片分子（1）（2）高能级电子间接作用于污染物分子

e+O2(N2,H2O) 2→O(N,N*,OH)+污染物分子→中性分子（2）

当低温等离子体电离度不高、气态污染物浓度也不高时，途径（2）成为主要反应。当污染物浓度较高时，途径（1）较为明显。

四、低温等离子体技术在VOC净化中的应用现状

由于低温等离子体技术在经济和技术上所具有的优势，近几十年来低温等离子体技术已成为VOCs治理研究领域的前沿热点课题。国内外的很多组织都在进行这方面的研究，并取得了一定的阶段性成果。例如：

同济大学王银生等利用直流高压脉冲放电来处理含有甲苯的空气，发现甲苯的净化率随着脉冲电压和峰值的增大而提高；随着甲苯进口浓度和流量的增加而降低。