1、课题：等离子体前沿技术学校：北京交通大学学院：电气工程学院专业：电气信息类班级：1106 班姓名：黄汉川学号：11291173日期：2012/5/22等离子体技术在三废处理中的应用摘要:等离子体环保技术随当今世界环境问题的日益严峻而得到迅速发展,本文阐述了等离子体的概念、基本参数、生成方式, 利用等离子体进行污染控制的基本过程及发生装置，从大气污染、水污染、固体废物治理三个方面简述在三废处理中各种等离子体技术的应用及特点，分析其存在的问题，展示了等离子体技术在环境保护中的应用前景.关键词:等离子体技术 三废 环境保护 引言：20世纪60年代形成的等离子体化学是基于高能物理、放电物理、放电化学、
2、反应工程学、高压脉冲技术等领域的一门交叉科学。利用等离子体净化气态污染物自70年代开始研究以来, 显示出了独特的优点和良好的发展前景, 目前有的已经进入应用阶段, 但大多数处于研究开发阶段。研究结果表明, 等离子体法具有处理流程短、效率高、能耗低、适用范围广等优点, 等离子体既可用于处理废气, 又可用于处理废水、固体废物、污泥, 甚至放射性废物。1 等离子概述11 等离子体概念：等离子体(Plasma)是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态“，也常被称为“电浆体“。1. 2 等离子体的基本参数等离子体的状态主要取决
3、于它的组成粒子、粒子密度和粒子温度，其中粒子密度和温度是描述等离子体特性的最重要的基本参量。1. 3 等离子体的生成方式(1)光和射线照射：通过光或射线的照射提供气体电离所需要的能量，如大功率的激光照射能够使物质蒸发电离，由于其放电的起始电荷是电离生成的离子，所形成的电荷密度通常极低。(2)辉光放电，电晕放电：辉光放电是指通过从直流到微波的所有频率段的电源激励产生各种不同的电离状态。由于电场线密度过大，或者说电场强度过大引起的空气击穿放电现象就是电晕放电。(3)燃烧 ：通过燃烧，火焰中的高能粒子相互之间发生碰撞，从而导致气体发生电离，这种电离通常称之为热电离。(4)气体放电法：带电粒子在电场作
4、用下获得加速动能与气体分子碰撞、加之阴极二次电子发射等机制的作用，导致气体击穿放电而形成等离子体。(5)冲击波法：当冲击波在气体中通过时，气体受绝热压缩产生的高温来获得等离子体。2 等离子体污染控制基本过程采用气体放电技术以产生等离子体时, 根据放电过程中的气压,等离子体可以分为平衡等离子体和非平衡等离子体,若放电在接近大气压的高气压条件下进行,则电子、离子、中性粒子会通过激烈碰撞而充分交换能量,从而使等离子体达到热平衡状态。反之, 数百帕以下的低气压等离子体常常处于非热平衡状态。此时,其电子温度可高达上万度, 而重粒子温度只有几百度或接近室温。另外, 不仅放电气压,而且放电长度、电极间距都会
5、影响放电产生的等离子体形态,因此低温等离子体也可以通过不产生热效应的短脉冲放电模式来生成, 还有介质阻挡放电等离子体和大气压下的辉光放电等离子体都是大气压下放电产生的非平衡等离子体。根据温度、电子密度的不同,等离子体可以为高温等离子体和低温等离子体, 见表 1。等离子体中典型的反应类型见表 2。由表 2 中基本的等离子体反应类型可以看出, 当反应需要高温下进行时常采用平衡等离子体, 平衡等离子体中的化学反应主要利用等离子体中的大量正负离子的复合过程所释放出的高热量进行。其中我们主要利用两种效应, 一是粒子间碰撞和粒子和固壁表面碰撞所产生的热使污染物分子的化学键断裂, 一是离解过程中自由基与污染
6、物分子的碰撞使污染物分子的化学键断裂。第一种概念与燃烧理论基本相似,只是具有温度更高的优势。第二种理论可用于处理气体或液体污染物或利用转移弧等离子体处理固体污染物。非平衡等离子体中的化学反应主要是通过气体放电产生的快电子激发来完成的, 这些快电子与气体分子碰撞,使气体分子激发到更高能级,被激发到高能级的分子由于其内能的增加, 既可以发生键的断裂也可以与其它物种发生化学反应, 而碰撞失去部分能量的电子在电场作用下仍可得到补偿。3 用于污染物处理的热等离子体发生器热等离子体中的电子、离子、中性粒子等具有统一的热力学温度,达到热力学平衡状态,具有很高的热性能,导热性、温度梯度也很高,因此通常用于有热
7、量需要的污染物热解、气化、熔融等过程。热等离子体发生器( Thermal Plasma Generator)是指能稳定地产生和维持温度为 2 # 103K 2 # 104K 的等离子体并把电能转化为热能的装置, 也称为等离子体炬( Plasma Torch)或等离子体枪( Plasma Gun)。它是热等离子体技术实施应用的前提和基础。目前用于各种材料工业及污染控制的热等离子体主要由高强度直流电弧放电与射频( 几兆至几十兆赫兹) 感应耦合产生,有时也采用交流电弧、 脉冲放电、 微波加热、爆炸丝等方式产生。4 用于污染物处理的非平衡等离子体发生器由于产生低温等离子体所需能量很少, 与热等离子体相
8、比,气体温度与反应器温度上升也很低,避免了反应器材料选择和冷却等问题,因此,低温等离子体是在工业上应用得最为广泛的一种等离子体。用于污染控制的非平衡等离子体主要包括以下类型: 电弧辉光放电等离子体、 低压射频放电等离子体、 脉冲电晕放电等离子体、介质阻挡放电等离子体、电子束、微波放电等离子体等等。表 3 列举了各种发生器及其相关等离子体放电参数, 其中, 电弧辉光放电等离子体、低压射频放电等离子体属于真空放电等离子体,从处理速度和成本方面考虑,人们通常是避开真空放电而选择大气压下的电晕放电、介质阻挡放电等,典型的放电反应器有脉冲电晕放电反应器、介质阻挡放电反应器和电子束。脉冲电晕放电反应器是使
9、用较早的一种非平衡等离子体发生器,它是利用脉冲电源产生的脉冲使迁徙率高的电子在自由程中受到突发强电场的加速而获得足够的能量,同时防止了迁徙率低的离子在电场中的加速造成的能量浪费。电晕放电发生在非常狭小的区域, 而且它很不稳定,而使这种放电能够稳定的一种方法是施加纳秒至微秒的快速上升的短脉冲电压而形成短脉冲电晕, 采用这样快速上升的波形是为了只加速不引起温度上升的质量较小的电子而不加速质量较大的离子, 并且使放电电压高于火花放电的起始电压。这种超短脉冲能量可以在只消耗很少能量的情况下分解一系列有害气体, 但是这种带火花间歇开关的电源装置昂贵, 而且设备工作时噪音很大。另外一种得到广泛应用的是介质
10、阻挡放电反应器,这种反应器方式也可以使得放电在气体中的重离子被加速前结束。它的做法是在金属电极表面覆盖介质(石英玻璃等 ) 作为阻挡层, 然后施加 50Hz100Hz 的交流高压, 这样就可以大面积生成无火花放电的稳定流注电晕, 同时避免了设备工作时的噪音,因而也叫做无声放电,这种装置最初应用于臭氧制备,用于污染物处理时,产生的臭氧的强氧化性对挥发性有机物降解起着重要作用。在电子束污染控制技术中, 反应在室温下进行,污染物的降解通过分子与电子束加速器释放的高能电子碰撞发生,自由电子源与需要处理的污染物是分离的, 因而污染物对等离子体的形成没有不利影响。5 应用等离子体降解有害污染物5. 1 气
11、体污染物各种有害的气体污染物主要可分为: 1) 酸性气体污染物, 如SO2、HCl、NOx ; 2) 有机挥发性气体VOCs; 3) 温室气体CO2、CH4; 4) 破坏臭氧物质, 如CFC12 等。非平衡等离子体技术是消除气体污染物的有效控制技术之一, 许多研究结果表明, 该技术对于气体污染物的脱除具有很大潜力, 其很高的化学活性, 适合于对气体污染物进行破坏分解。近年来, 很多研究利用非平衡等离子体脱除气体中的SO2、NOx、VOCs 等, 这些研究集中考虑了两方面问题, 一是过程的能量效率, 二是反应产物或副产物的分布。一般研究表明, 等离子体输入功率对转化效率影响最大, 随着输入功率的
12、增加, 污染物的降解率增加。污染气体浓度对转化效率有一定影响,非平衡等离子体通常用于脱除大流量、低浓度( 1000ppm() 的有害气体, 在这些过程中, 由载气产生的高化学活性粒子与污染物分子发生碰撞反应,随污染物浓度的上升, 载气浓度相应下降, 转化率也急剧下降。另外, 由于稀释气体在放电体系中占相当大的体积, 并且在放电过程中产生大量高能电子和活性粒子, 如N* 、OH、O3( p) 等活性自由基, 这些粒子都直接或间接地参与化学反应, 稀释气体的种类不仅直接影响污染物的降解效果, 还影响反应副产物的生成与分布。在应用等离子体降解污染物的过程中, 除了着重考虑等离子体对污染物的降解效率, 还应考察污染物等离子体降解过程结束后的降解产物。由于等离子体降解过程某些副产物选择性的不可控, 可能会产生一些有害产物, 如用射频电源放电等离子体降解CF2ClBr 过程中, 发现产物中生成了比它自身毒性更
