論等離子體現(xiàn)代之作用

1、課題：論等離子體現(xiàn)代之作用學(xué)校：臨平第一中學(xué)班級：803班姓名：王晨洋學(xué)籍符號：0110140055085日期：2015-10-24指導(dǎo)老師：毛淑華 等離子體技術(shù)在三廢處理中的應(yīng)用a.摘要:等離子體環(huán)保技術(shù)隨當(dāng)今世界環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻而得到迅速發(fā)展,本文闡述了等離子體的概念、基本參數(shù)、生成方式, 利用等離子體進行污染控制的基本過程及發(fā)生裝置等。從大氣污染、水污染、固體廢物治理三個方面簡述在三廢處理中各種等離子體技術(shù)的應(yīng)用及特點，分析其存在的問題，展示了等離子體技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用前景。b.關(guān)鍵詞:等離子體技術(shù)、三廢、環(huán)境保護 c.引言：20世紀(jì)60年代形成的等離子體化學(xué)是基于高能物理、放電物

2、理、反應(yīng)工程學(xué)等領(lǐng)域的一門交叉科學(xué)。利用等離子體凈化氣態(tài)污染物自70年代開始研究以來, 顯示出了獨特的優(yōu)點和良好的發(fā)展前景, 目前有的已經(jīng)進入應(yīng)用階段, 但大多數(shù)處于研究開發(fā)階段。研究結(jié)果表明, 等離子體法具有處理流程短、效率高、能耗低、適用范圍廣等優(yōu)點, 等離子體既可用于處理廢氣, 又可用于處理廢水、固體廢物、污泥, 甚至放射性廢物。一、 等離子的概述11等離子體概念：等離子體(Plasma)是一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質(zhì)形態(tài)，廣泛存在于宇宙中，常被視為是物質(zhì)的第四態(tài)，被稱為等離子態(tài)，或者“超氣態(tài)"（也常被稱為“電漿體"）。1. 2 等離子體的基本參數(shù)等離子體

3、的狀態(tài)主要取決于它的組成粒子、粒子密度和粒子溫度，其中粒子密度和溫度是描述其特性的最重要基本參數(shù)。1. 3等離子體的生成方式(1)光和射線照射：通過光或射線的照射提供氣體電離所需要的能量，如大功率的激光照射能夠使物質(zhì)蒸發(fā)電離，由于其放電的起始電荷是電離生成的離子，所形成的電荷密度通常極低。(2)輝光放電，電暈放電：輝光放電是指通過從直流到微波的所有頻率段的電源激勵產(chǎn)生各種不同的電離狀態(tài)。由于電場強度過大引起的空氣擊穿放電現(xiàn)象就是電暈放電。(3)燃燒：通過燃燒，火焰中的高能粒子相互之間發(fā)生碰撞，從而導(dǎo)致氣體發(fā)生電離，這種電離通常稱之為熱電離。(4)氣體放電法：帶電粒子在電場作用下獲得加速動能與氣

4、體分子碰撞、加之陰極二次電子發(fā)射等機制的作用，導(dǎo)致氣體擊穿放電而形成等離子體。(5)沖擊波法：當(dāng)沖擊波在氣體中通過時，氣體受絕熱壓縮產(chǎn)生的高溫來獲得等離子體。二、 等離子體污染控制基本過程采用氣體放電技術(shù)以產(chǎn)生等離子體時, 根據(jù)放電過程中的氣壓,等離子體可以分為平衡等離子體和非平衡等離子體。若放電在接近大氣壓的高氣壓條件下進行,則電子、離子、中性粒子會通過激烈碰撞而充分交換能量,從而使等離子體達到熱平衡狀態(tài)。反之, 數(shù)百帕以下的低氣壓等離子體常常處于非熱平衡狀態(tài)。此時,其電子溫度可高達上萬度, 而重粒子溫度只有幾百度或接近室溫。此外, 放電氣壓、放電長度、電極間距都會影響放電產(chǎn)生的等離子體形態(tài)

5、,因此低溫等離子體也可以通過不產(chǎn)生熱效應(yīng)的短脈沖放電模式來生成。 還有介質(zhì)阻擋放電等離子體和大氣壓下的輝光放電等離子體都是大氣壓下放電產(chǎn)生的非平衡等離子體。（根據(jù)溫度、電子密度的不同,等離子體可以為高溫等離子體和低溫等離子體, 見表1）（等離子體中典型的反應(yīng)類型見表 2）由表 2中基本的等離子體反應(yīng)類型可以看出, 當(dāng)反應(yīng)需要高溫下進行時常采用平衡等離子體, 平衡等離子體中的化學(xué)反應(yīng)主要利用等離子體中的大量正負(fù)離子的復(fù)合過程所釋放出的高熱量進行。其中我們主要利用兩種效應(yīng)：一是粒子間碰撞與粒子和固壁表面碰撞所產(chǎn)生的熱使污染物分子的化學(xué)鍵斷裂；一是離解過程中自由基與污染物分子的碰撞使污染物分子的化學(xué)

6、鍵斷裂。第一種概念與燃燒理論基本相似,只是具有溫度更高的優(yōu)勢。第二種理論可用于處理氣體，液體污染物或固體污染物。非平衡等離子體中的化學(xué)反應(yīng)主要是通過氣體放電產(chǎn)生的快電子激發(fā)來完成的, 這些快電子與氣體分子碰撞,使氣體分子激發(fā)到更高能級,被激發(fā)到高能級的分子由于其內(nèi)能的增加, 既可以發(fā)生鍵的斷裂也可以與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 而碰撞失去部分能量的電子在電場作用下仍可得到補充。三、用于污染物處理的熱等離子體發(fā)生器熱等離子體中的電子、離子、中性粒子等具有統(tǒng)一的熱力學(xué)溫度,達到熱力學(xué)平衡狀態(tài),具有很高的熱性能、導(dǎo)熱性與溫度梯度。因此其通常用于有熱量需要的污染物熱解、氣化、熔融等過程。熱等離子體發(fā)生器(

7、 Thermal Plasma Generator)是指能穩(wěn)定地產(chǎn)生和維持溫度為 2 # 103K2 # 104K的等離子體并把電能轉(zhuǎn)化為熱能的裝置，也稱為等離子體炬( Plasma Torch)或等離子體槍( Plasma Gun)。它是熱等離子體技術(shù)實施應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。目前用于各種材料工業(yè)及污染控制的熱等離子體主要由高強度直流電弧放電與射頻( 幾兆至幾十兆赫) 感應(yīng)耦合產(chǎn)生,有時也采用交流電弧、 脈沖放電、爆炸絲等方式產(chǎn)生。四、用于污染物處理的非平衡等離子體發(fā)生器由于產(chǎn)生低溫等離子體所需能量很少, 與熱等離子體相比,氣體溫度與反應(yīng)器溫度上升也很低,避免了反應(yīng)器材料選擇和冷卻等問題,因此,

8、低溫等離子體是在工業(yè)上應(yīng)用得最為廣泛的一種等離子體。用于污染控制的非平衡等離子體主要包括以下類型: 電弧輝光放電等離子體、 低壓射頻放電等離子體、 脈沖電暈放電等離子體、介質(zhì)阻擋放電等離子體、電子束、微波放電等離子體等。表3 列舉了各種發(fā)生器及其相關(guān)等離子體放電參數(shù), 其中, 電弧輝光放電等離子體、低壓射頻放電等離子體屬于真空放電等離子體,從處理速度和成本方面考慮,人們通常是避開真空放電而選擇大氣壓下的電暈放電、介質(zhì)阻擋放電等,典型的放電反應(yīng)器有脈沖電暈放電反應(yīng)器、介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器和電子束。脈沖電暈放電反應(yīng)器是使用較早的一種非平衡等離子體發(fā)生器,它是利用脈沖電源產(chǎn)生的脈沖使遷徙率高的電子在自

9、由程中受到突發(fā)強電場的加速而獲得足夠的能量,同時防止了遷徙率低的離子在電場中的加速造成的能量浪費。電暈放電發(fā)生在非常狹小的區(qū)域, 并且它很不穩(wěn)定,而使這種放電能夠穩(wěn)定的一種方法是施加納秒至微秒快速上升的短脈沖電壓而形成短脈沖電暈, 采用這樣快速上升的波形是為了只加速不引起溫度上升的質(zhì)量較小的電子而不加速質(zhì)量較大的離子, 并且使放電電壓高于火花放電的起始電壓。這種超短脈沖能量可以在只消耗很少能量的情況下分解一系列有害氣體, 但是這種帶火花間歇開關(guān)的電源裝置昂貴, 而且設(shè)備工作時噪音很大。另外一種得到廣泛應(yīng)用的是介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器,這種反應(yīng)器方式也可以使得放電在氣體中的重離子被加速前結(jié)束。它的做法

10、是在金屬電極表面覆蓋絕緣介質(zhì)(塑料、橡膠、玻璃,陶瓷等) 作為阻擋層, 然后施加 50Hz100Hz的交流高壓, 這樣就可以大面積生成無火花放電的穩(wěn)定流注電暈, 同時避免了設(shè)備工作時的噪音,因而也叫做無聲放電,這種裝置最初應(yīng)用于臭氧制備,用于污染物處理時,產(chǎn)生的臭氧強氧化性對揮發(fā)性有機物降解起著重要作用。在電子束污染控制技術(shù)中, 反應(yīng)在室溫下進行,污染物的降解通過分子與電子束加速器釋放的高能電子碰撞發(fā)生,自由電子源與需要處理的污染物是分離的, 因而污染物對等離子體的形成沒有不利影響。五、 應(yīng)用等離子體降解有害污染物5. 1 氣體污染物 各種有害的氣體污染物主要可分為: 1) 酸性氣體污染物,

11、如SO2、HCl、NOx ; 2) 有機揮發(fā)性氣體VOCs; 3) 溫室氣體CO2、CH4; 4) 破壞臭氧物質(zhì), 如CFC12 等。非平衡等離子體技術(shù)是消除氣體污染物的有效控制技術(shù)之一, 許多研究結(jié)果表明, 該技術(shù)對于氣體污染物的去除具有很大潛力, 其具有很高的化學(xué)活性, 適合于對氣體污染物進行破壞分解。近年來, 很多研究利用非平衡等離子體脫除氣體中的SO2、NOx、VOCs 等, 這些研究集中考慮了兩方面問題, 一是過程的能量效率, 二是反應(yīng)產(chǎn)物和副產(chǎn)物的分布。 一般研究表明, 等離子體輸入功率對轉(zhuǎn)化效率影響最大, 隨著輸入功率的增加, 污染物的降解率增加。污染氣體濃度對轉(zhuǎn)化效率有一定影響

12、,非平衡等離子體通常用于脫除大流量、低濃度的有害氣體, 在這些過程中, 由載氣產(chǎn)生的高化學(xué)活性粒子與污染物分子發(fā)生碰撞反應(yīng),隨污染物濃度的上升, 載氣濃度相應(yīng)下降, 轉(zhuǎn)化率也急劇下降。另外, 由于稀釋氣體在放電體系中占相當(dāng)大的體積, 并且在放電過程中產(chǎn)生大量高能電子和活性粒子,這些粒子都直接或間接地參與化學(xué)反應(yīng), 稀釋氣體的種類不僅直接影響污染物的降解效果, 還影響反應(yīng)副產(chǎn)物的生成與分布。 在應(yīng)用等離子體降解污染物的過程中, 除了著重考慮等離子體對污染物的降解效率, 還應(yīng)考察污染物等離子體降解過程結(jié)束后的降解產(chǎn)物。由于等離子體降解過程某些副產(chǎn)物選擇性的不可控, 可能會產(chǎn)生一些有害產(chǎn)物?？刂聘碑a(chǎn)

13、物產(chǎn)生的一種途徑是改變載氣成分,比如,將氣體中的氧含量控制在3%以內(nèi)以控制NOx 的生成，增加反應(yīng)氣體濕度以控制有機副產(chǎn)物產(chǎn)生; 還可以通過增加功率使反應(yīng)中的有機副產(chǎn)物減少；ToshiakiYamamoto 在他的研究中，對非平衡等離子體降解污染物過程進行了優(yōu)化研究, 結(jié)果表明, 考慮到降解效率與副產(chǎn)物控制, 許多污染物的降解不僅僅依賴輸入功率, 更取決于污染物在等離子體中的停留時間, 因而可以使用降低電壓、增加停留時間的方式降解污染物,從而優(yōu)化該過程。 由于, 等離子體污染控制技術(shù)中出現(xiàn)的處理效率與副產(chǎn)物生成問題, 許多為克服這些缺陷的研究實驗紛紛出現(xiàn), 其中一種是將等離子體技術(shù)與催化技術(shù)相

14、結(jié)合，從而更加有效的提高能量效率與控制副產(chǎn)物的產(chǎn)生, 免除或減少吸附法的后處理過程,催化技術(shù)與等離子體技術(shù)相結(jié)合反應(yīng)器可以分為兩類一步過程反應(yīng)器與兩步過程反應(yīng)器。在一步過程反應(yīng)器中, 催化劑置于反應(yīng)器中, 被等離子體活化產(chǎn)生光子, 通常該過程溫度低于正常熱催化反應(yīng)溫度, 所以, 一步過程也稱為等離子體驅(qū)動催化過程；在兩步過程反應(yīng)器中, 等離子體降解污染物的同時,產(chǎn)生臭氧促進催化反應(yīng), 又稱為等離子體加強或等離子體協(xié)助催化過程。另外一種嘗試是改善放電模式, 包括反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和放電參數(shù)（如放電頻率、電壓波形等）。5. 2 液體污染物 用于液體污染物控制的等離子體技術(shù)分為直接和間接方式, 主要包括以下

15、幾類： 利用等離子體產(chǎn)生的臭氧或其它強氧化性物質(zhì), 將其導(dǎo)入液體污染物中, 或利用等離子體技術(shù)產(chǎn)生的紫外光UV 間接處理污染物, 還可以直接在液體污染物中采用脈沖電弧或脈沖電暈放電產(chǎn)生的電子、離子等處理污染物。美國的H R Snyder 等利用電弧等離子體降解液體污染溶劑, 選用丙酮作為代表材料,在電流強度75A體系中加入氧氣的情況下,對流量200ml/h的丙酮降解效率超過99%。美國國家環(huán)境保護委員會與紐約環(huán)保部門合作建立了一套等離子體電弧液體污染物處理系統(tǒng), 處理量55 加侖/小時,以處理CCl4 為例,降解效率可以達到99.99%。5. 3 固體污染物固體有害污染物主要指各種放射性物質(zhì)生

16、產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢渣, 如核電站廢料、化工廢料、醫(yī)療垃圾、 垃圾焚燒場廢渣等。采用熱等離子體處理固體廢棄物, 處理方法可以分為以下幾種: 等離子體氧化或燃燒; 等離子體熱解,使可燃固體廢棄物在還原性氣氛下汽化, 重組為其它氣體; 脈沖電弧產(chǎn)生沖擊波, 用于將固體廢棄物分解并分離為金屬、塑料、有機物等。在目前對城市垃圾的處理方法中, 焚燒處理仍占主導(dǎo)地位, 在焚燒過程中殘留物及飛灰含各種含量的重金屬,同時含有二氧芑等化合物, 由于它們的高毒性, 必須加強對它們的妥善處理。日本學(xué)者Koutaro Katou 等利用電弧等離子體熔化爐對城市垃圾的毒性去除及減少容積進行了研究, 結(jié)果表明, 殘余物中超過99% 的PCDDs 和PCDFs 已經(jīng)被降解, 爐內(nèi)保持負(fù)壓, 可以控制NOx生成, 同時, 超過1400攝氏度的高溫也可以控制HCl 和SOx 的生成, 經(jīng)過等離子體熔融后的玻璃狀殘渣已無毒性, 飛灰中的Pb, Zn 等含量高, 可進行回收。美國加州Haw kins 公司開發(fā)了一套轉(zhuǎn)移弧等離子體醫(yī)療垃圾處理系統(tǒng), 在等離子體高溫及還原性氣氛下, 加入水蒸汽, 可將醫(yī)療垃圾中的有機及固體轉(zhuǎn)化為玻璃狀殘余物及清潔氣體。六、總結(jié)隨著人類能源危機的加劇和環(huán)保意識的加強,污染物有效控制變得越來越重要。等離子體技術(shù)由于可以將有害