1、 用于廢氣凈化的等離子體研究1引言 隨著經濟和科學技術的快速發展，人們生活水平的不斷提高，越來越多的人工合成物質涌現在人們眼前，在給人類生活帶來方便的同時，也影響著人類的生存環境。特別是在一些工業廢氣中含有大量有毒有害氣體，為此開展廢氣的治理技術研究，已經成為環境工程領域亟需解決的重大問題。其中較為引人注目的是低溫等離子凈化技術，非平衡等離子體技術去除氣體污染物的基本原理是：通過電子束照射或高電壓放電形式獲得的非熱平衡等離子體內，有大量的高能電子及高能電子激勵產生活性粒子，將有害氣體污染物氧化成無害物或低毒物。由于低溫較平衡等離子體易于產生，在環保領域有著廣泛的應用前景。2 等離子體凈化技術概

2、況 80年代以來，等離子體應用于處理各類污染物成為國內外研究的熱點之一。低溫等離子體與化學技術結合形成嶄新的領域低溫等離子體化學，低溫等離子體化學反應涉及材料的淺表面，具有不損傷材料基質、節水、節能、降低成本、無公害等優點，而且有可能實現傳統的化學反應所不能實現的反應，在太陽能光電池、大規模集成電路(LSI)等電子學領域的應用，金屬氮化膜的制造、醫用生體材料的表面改性、功能性薄膜的制造等領域的迅速發展及實用化效果引起廣泛關注。在紡織加工領域，對應于產品的高附加價值化和環境保護的要求，期待開發出與傳統技術從原理上完全不同的新技術。近年來的研究已提出利用低溫等離子體化學改革傳統紡織品加工技術，并預

3、言這是2l世紀對環境保護、保障經濟可持續發展最具應用前景的革新技術。等離子體技術也應用于煙道氣的脫硫和脫硝，降解芳香烴，及硫化氫等物質。 等離子體技術應用于環境污染治理的研究取得了很多進展，在治理煙道氣方面有了很大改進，獲得了一些新的成果，但是單純的低溫等離子體技術存在一定的缺點，離大規模工業應用還有一定的距離，需要進行改進或者跟其他工藝有機地結合。研究表明低溫與催化劑聯用技術治理廢氣在減少能耗和提高降解率等方面存在顯著的優勢，成為當今廢氣治理的發展方向之一。 3 介質阻擋放電 3.1 低溫等離子體的產生方法 低溫等離子體主要有氣體放電產生，氣體放電法的種類較多，按電極結構的不同或供能方式的不

4、同，可分為電暈放電、表面放電、介質阻擋放電等。這些放電方法有一個共同的特點：均能夠在較高的氣體壓力下(常壓)形成非平衡等離子體。 電暈放電 電暈放電法是由電子束法發展而來的，電暈放電主要分為直流電暈放電法和脈沖電暈放電。直流電暈放電是在直流高壓作用下，利用電極間電場分布的不均勻性產生氣體放電的一種方式，這種放電方法廣泛用于靜電除塵方面。直流電暈法對污染氣體的脫除原理和脈沖電暈法相似，但是常規的直流電暈反應器不適用于氣體污染物的凈化。因為其等離子體活性空間小，僅限于電暈極附近，靜電除塵過程中放電以提供離子源為目的，所需的電暈區較小，用直流電暈即可滿足要求；污染物的降解要求放電能為污染物的降解反應

5、提供足夠多的活性物質，反應器應有較大的活性空間，而直流電暈放電較難滿足這個要求，所以不適用于污染物的凈化。 表面放電 表面放電的主體是結構致密的陶瓷(陶瓷管或瓷板)，在陶瓷的內部埋有金屬板作為接地極，陶瓷的一側表面上布置導體作為高壓電極，另一側作為反應器的散熱面。在中、高頻電壓作用下，放電從放電極沿陶瓷表面延伸，在陶瓷表面形成許多細致的流注通道。日本TetsujiOda領導的研究小組從表面放電誘導等離子化學過程入手，對丙酮、三氯乙烯、氟里昂的降解進行了研究，并分析了表面放電的耗能情況。與其他放電方式相比，表面放電的功率消耗大，放電過程中發比較嚴重，常需在反應器的外部強制冷卻，能量利用率不高。另

6、外由于放電只集中在陶瓷表面附近，所提供的等離子體反應空間亦不夠，加上結構復雜，不便于實際應用。介質阻擋放電 介質阻擋放電是有絕緣介質插入放電空間的一種氣體放電，在這類放電反應器的結構中采用電解質層將兩電極隔開，介質可以覆蓋在電極上或放置于電極之間，在兩電極間加上足夠高的交流電壓時，電極間隙的空氣就會發生擊穿，形成放電。放電形成大量細微的快脈沖放電通道，表現為均勻、漫散和穩定，與低壓輝光放電相似。電解質在放電過程中起到儲能作用，使放電穩定并產生延時極短的脈沖，同時它能抑制火花放電的產生。因為介質阻擋放電小像空氣中的火花放電那樣會發出巨大的擊穿響聲，歷史上也稱作無聲放電 3.2 介質阻擋放電的原理

7、 介質阻擋放電( Dielect ric Bar rier Discharg e,DBD) 也稱無聲放電, 是一種非平衡態的、非穩定的和不均勻的放電。它是將絕緣介質插入放電空間的一種氣體放電。介質可以覆蓋在電極上或者懸掛在放電空間里, 插入的絕緣介質可以使放電空間的電荷積聚于其上, 產生一個與外電場方向相反的附加電場, 阻止放電發展到電弧階段。人們在實驗室中最早研究的等離子體也是通過氣體放電獲得的。DBD 現象表現為不均勻、散漫和不穩定, 實際上是由大量細微的快脈沖放電通道構成的。通常放電空間的氣體壓強可達105Pa或更高, 因此這種放電屬于高氣壓下的非熱平衡放電, 被廣泛地用于臭氧合成、紫外

8、光源等場合, 近些年來它也被用于氣體激光器的激勵、材料的表面處理、薄膜材料的制備、環境工程等高科技等方面, 具有潛在的應用價值。DBD 的擊穿和其它放電的擊穿類似之處是電子在外電場中獲得能量, 通過碰撞把能量轉移給其它分子, 使其激發獲解離, 產生電子雪崩。將這種機理應用在工業生產上具有廣闊的應用前景, 已經成為近年來國內外研究中的熱點。將DBD 放電機理用于原煤的脫硫, 這種提法在國內未見相關報道。目前相對成熟的技術是對煤燃燒后生成的煙氣和灰塵進行DBD 脫硫處理。 3.2.1介質阻擋放電的物理過程 介質阻擋放電等離子體化學的反應體系總是被分為兩個方面，即放電的物理過程和發生在等離子體中的化

9、學反應。為了認識和掌握介質阻擋放電過程，獨立處理這兩個既不同，又相互聯系的兩方面是非常有幫助的，而微放電正是其關鍵所在。介質阻擋放電中的一個絲狀微電流周期可以分為三個部分：(1)微放電的形成，也就是發生電子雪崩擊穿；(2)放電擊穿后氣體間隙電流脈沖或電荷的輸送；(3)在微放電通道中原子、分子的激發和反應動力學的啟動，也就是自由基、準分子的形成這三個階段的時間過程壽命相差很大，有數量級的差異。通常放電的局部擊穿在幾個ns內就己經完成，電流脈沖，即微放電壽命一般為10 FIS量級，而第三階段原子分子的激發和反應所需要的時間為100 ns到秒量級。 介質阻擋法產生等離子體主要有以下特點：( 1) 等

10、離子體操作范圍較寬, 可在常壓下反應,通常氣壓為104 106 Pa, 允許的能量也比較寬, 為1 10 eV, 頻率為50 Hz 到數兆赫茲, 便于選擇不同的等離子反應。( 2) 無聲放電呈微放電狀態, 放電表現為不穩定、不均勻的狀態。在放電電極之間的電介質可防止形成局部火花或弧光放電, 保證了化學反應的安全進行。( 3) 無聲放電具有較大容積的等離子體放電區域, 也就是在反應過程中反應分子接觸得較充分, 有利于充分反應。4 .氬氣電離的研究及仿真 等離子體化學過程是伴隨著非彈性碰撞發生的激發、離解、電離過程及隨之生成的各種化學活性物種。非彈性碰撞引起的基元反應大致如下：(1)激發、離解和電

11、離過程主要有：由電子碰撞引起的激發、離解和電離，這是最為重要的類肇正反應由離子和中性粒子碰撞引起的激發、離解和電離；光致激發、離解和電離。(2)復合復合是電離的逆過程。等離子體中電子與正粒子、或負離子與正粒子相碰形成中性粒子，釋放能量。(3)電子附著和解吸電子與某些原子和分子相碰時，隨著氣體種類和電子能量的不同，電子有可能被氣體分子或原子捕獲生成負離子，這個過程稱為電子附著。電子的親和力越大，原子或分子形成負離子就越容易。相反，負離子釋放出電子的過程則稱為解吸。 4.1 氬氣電離仿真模型 實驗我們將以氬氣作為被電離的中性氣體，通過COMSOL軟件對發生器中得電離反應中電子的各項參數進行模擬研究

12、。首先我們以一個氬化學參比池為研究進行仿真模擬。仿真模型如下兩圖所示。 模型圖1模型圖2其中：6-11部分為13.56MHz線圈組，材料參數如下屬性名稱值單位屬性組相對介電常數epsilor11基本相對磁導率mur11基本 4和12部分為介質材料板，材料參數如下屬性名稱值單位屬性組電導率sigma0S/m基本相對介電常數epsilonr4.21基本相對磁導率mur11基本2和3部分為等離子體發生反應腔體，其內部反應復雜，我們以較為簡單的氬氣作為研究對象將其做合理的簡單化，腔體中包含了4種物質及7個反應，具體如下 1 e+Ar => e+Ar 2 e+Ar => e+Ars 3 e+

13、Ars => e+Ar 4 e+Ar => 2e+Ar+ 5 e+Ars => 2e+Ar+ 6 Ars+Ars => e+Ar+Ar+ 7 Ars+Ar => Ar+Ar以上逐步電離反應中反應5在維持低壓氬放電現象中可以發揮重要的作用。激發的氬原子通過和電子的超彈性碰撞，抑制中性氬原子，其中兩個亞穩定的亞氬原子離子化反應形成一個中立的氬原子,一個氬離子與一個電子，此后的后續表面反應得意進行。一下為兩個表面反應，當一個亞穩態氬原子與墻進行接觸,它將有一定概率恢復為氬原子率 1 Ars => Ar 1 2 Ar+ => Ar 14.2 基于COMSOL軟

14、件對電子分布特性的仿真通過模型的建立和對各項參數的設置之后，通過COMSOL軟件的仿真研究之后就可以得出反應腔中我們所需的各項電子特性的模擬數據。4.2.1 電子密度分布此處模擬仿真了漂移擴散后電子在各處的分布密度，反應中的最大電子密度出現在射頻線圈下面，反應器的中心位置，這里的電子密度足以產生一個屏蔽電場。電子溫度4.2.3 激發電子的電子數量密度激發態物質數量密度的最大值也是在也是最大的中心出現。與帶電粒子不同,數量密度沒有迅速下降至接近墻壁附近。激發態物質的物理性質是相對簡單,它們由高能量電子形成于反應堆中心,并通過逐步電離及向邊緣擴散而消散。因為激發的氬原子的遷移并不受電場的影響,他們

15、可以存在數量比離子高。峰值數量密度的激發態氬原子質量分數約為0.02。4.2.4 電子電勢參考文獻：1Wang Y.Odor gas reduction using silent and corolla discharge plasmaan experimental study of nonthermal plasma techniques in position controlDMinnesota：University of Minnesota, 20012Kang M，Ko Y R jeon M K, eta1.J.JPhotochem Photobio A Chem2005：128136

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