等離子體凈化文檔在線提供

1、 用于廢氣凈化的等離子體研究1引言 隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，越來越多的人工合成物質(zhì)涌現(xiàn)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(huán)境。特別是在一些工業(yè)廢氣中含有大量有毒有害氣體，為此開展廢氣的治理技術(shù)研究，已經(jīng)成為環(huán)境工程領(lǐng)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(shù)，非平衡等離子體技術(shù)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(nèi)，有大量的高能電子及高能電子激勵產(chǎn)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(chǎn)生，在環(huán)保領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。2 等離子體凈化技術(shù)概

2、況 80年代以來，等離子體應(yīng)用于處理各類污染物成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。低溫等離子體與化學(xué)技術(shù)結(jié)合形成嶄新的領(lǐng)域低溫等離子體化學(xué)，低溫等離子體化學(xué)反應(yīng)涉及材料的淺表面，具有不損傷材料基質(zhì)、節(jié)水、節(jié)能、降低成本、無公害等優(yōu)點(diǎn)，而且有可能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)所不能實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)，在太陽能光電池、大規(guī)模集成電路(LSI)等電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，金屬氮化膜的制造、醫(yī)用生體材料的表面改性、功能性薄膜的制造等領(lǐng)域的迅速發(fā)展及實(shí)用化效果引起廣泛關(guān)注。在紡織加工領(lǐng)域，對應(yīng)于產(chǎn)品的高附加價值化和環(huán)境保護(hù)的要求，期待開發(fā)出與傳統(tǒng)技術(shù)從原理上完全不同的新技術(shù)。近年來的研究已提出利用低溫等離子體化學(xué)改革傳統(tǒng)紡織品加工技術(shù)，并預(yù)

3、言這是2l世紀(jì)對環(huán)境保護(hù)、保障經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展最具應(yīng)用前景的革新技術(shù)。等離子體技術(shù)也應(yīng)用于煙道氣的脫硫和脫硝，降解芳香烴，及硫化氫等物質(zhì)。 等離子體技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境污染治理的研究取得了很多進(jìn)展，在治理煙道氣方面有了很大改進(jìn)，獲得了一些新的成果，但是單純的低溫等離子體技術(shù)存在一定的缺點(diǎn)，離大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用還有一定的距離，需要進(jìn)行改進(jìn)或者跟其他工藝有機(jī)地結(jié)合。研究表明低溫與催化劑聯(lián)用技術(shù)治理廢氣在減少能耗和提高降解率等方面存在顯著的優(yōu)勢，成為當(dāng)今廢氣治理的發(fā)展方向之一。 3 介質(zhì)阻擋放電 3.1 低溫等離子體的產(chǎn)生方法 低溫等離子體主要有氣體放電產(chǎn)生，氣體放電法的種類較多，按電極結(jié)構(gòu)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(zhì)阻擋放電等。這些放電方法有一個共同的特點(diǎn)：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(fā)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(chǎn)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(guī)的直流電暈反應(yīng)器不適用于氣體污染物的凈化。因?yàn)槠涞入x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(qū)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(yīng)

5、提供足夠多的活性物質(zhì)，反應(yīng)器應(yīng)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(jié)構(gòu)致密的陶瓷(陶瓷管或瓷板)，在陶瓷的內(nèi)部埋有金屬板作為接地極，陶瓷的一側(cè)表面上布置導(dǎo)體作為高壓電極，另一側(cè)作為反應(yīng)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(xì)致的流注通道。日本TetsujiOda領(lǐng)導(dǎo)的研究小組從表面放電誘導(dǎo)等離子化學(xué)過程入手，對丙酮、三氯乙烯、氟里昂的降解進(jìn)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(fā)比較嚴(yán)重，常需在反應(yīng)器的外部強(qiáng)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(yīng)空間亦不夠，加上結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于實(shí)際應(yīng)用。介質(zhì)阻擋放電 介質(zhì)阻擋放電是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種氣體放電，在這類放電反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)中采用電解質(zhì)層將兩電極隔開，介質(zhì)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(fā)生擊穿，形成放電。放電形成大量細(xì)微的快脈沖放電通道，表現(xiàn)為均勻、漫散和穩(wěn)定，與低壓輝光放電相似。電解質(zhì)在放電過程中起到儲能作用，使放電穩(wěn)定并產(chǎn)生延時極短的脈沖，同時它能抑制火花放電的產(chǎn)生。因?yàn)榻橘|(zhì)阻擋放電小像空氣中的火花放電那樣會發(fā)出巨大的擊穿響聲，歷史上也稱作無聲放電 3.2 介質(zhì)阻擋放電的原理

7、 介質(zhì)阻擋放電( Dielect ric Bar rier Discharg e,DBD) 也稱無聲放電, 是一種非平衡態(tài)的、非穩(wěn)定的和不均勻的放電。它是將絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種氣體放電。介質(zhì)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(zhì)可以使放電空間的電荷積聚于其上, 產(chǎn)生一個與外電場方向相反的附加電場, 阻止放電發(fā)展到電弧階段。人們在實(shí)驗(yàn)室中最早研究的等離子體也是通過氣體放電獲得的。DBD 現(xiàn)象表現(xiàn)為不均勻、散漫和不穩(wěn)定, 實(shí)際上是由大量細(xì)微的快脈沖放電通道構(gòu)成的。通常放電空間的氣體壓強(qiáng)可達(dá)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(huán)境工程等高科技等方面, 具有潛在的應(yīng)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(zhuǎn)移給其它分子, 使其激發(fā)獲解離, 產(chǎn)生電子雪崩。將這種機(jī)理應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)上具有廣闊的應(yīng)用前景, 已經(jīng)成為近年來國內(nèi)外研究中的熱點(diǎn)。將DBD 放電機(jī)理用于原煤的脫硫, 這種提法在國內(nèi)未見相關(guān)報(bào)道。目前相對成熟的技術(shù)是對煤燃燒后生成的煙氣和灰塵進(jìn)行DBD 脫硫處理。 3.2.1介質(zhì)阻擋放電的物理過程 介質(zhì)阻擋放電等離子體化學(xué)的反應(yīng)體系總是被分為兩個方面，即放電的物理過程和發(fā)生在等離子體中的化

9、學(xué)反應(yīng)。為了認(rèn)識和掌握介質(zhì)阻擋放電過程，獨(dú)立處理這兩個既不同，又相互聯(lián)系的兩方面是非常有幫助的，而微放電正是其關(guān)鍵所在。介質(zhì)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(fā)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(fā)和反應(yīng)動力學(xué)的啟動，也就是自由基、準(zhǔn)分子的形成這三個階段的時間過程壽命相差很大，有數(shù)量級的差異。通常放電的局部擊穿在幾個ns內(nèi)就己經(jīng)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(fā)和反應(yīng)所需要的時間為100 ns到秒量級。 介質(zhì)阻擋法產(chǎn)生等離子體主要有以下特點(diǎn)：( 1) 等

10、離子體操作范圍較寬, 可在常壓下反應(yīng),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(shù)兆赫茲, 便于選擇不同的等離子反應(yīng)。( 2) 無聲放電呈微放電狀態(tài), 放電表現(xiàn)為不穩(wěn)定、不均勻的狀態(tài)。在放電電極之間的電介質(zhì)可防止形成局部火花或弧光放電, 保證了化學(xué)反應(yīng)的安全進(jìn)行。( 3) 無聲放電具有較大容積的等離子體放電區(qū)域, 也就是在反應(yīng)過程中反應(yīng)分子接觸得較充分, 有利于充分反應(yīng)。4 .氬氣電離的研究及仿真 等離子體化學(xué)過程是伴隨著非彈性碰撞發(fā)生的激發(fā)、離解、電離過程及隨之生成的各種化學(xué)活性物種。非彈性碰撞引起的基元反應(yīng)大致如下：(1)激發(fā)、離解和電

11、離過程主要有：由電子碰撞引起的激發(fā)、離解和電離，這是最為重要的類肇正反應(yīng)由離子和中性粒子碰撞引起的激發(fā)、離解和電離；光致激發(fā)、離解和電離。(2)復(fù)合復(fù)合是電離的逆過程。等離子體中電子與正粒子、或負(fù)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(fù)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(fù)離子就越容易。相反，負(fù)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(shí)驗(yàn)我們將以氬氣作為被電離的中性氣體，通過COMSOL軟件對發(fā)生器中得電離反應(yīng)中電子的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行模擬研究

12、。首先我們以一個氬化學(xué)參比池為研究進(jìn)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(shù)如下屬性名稱值單位屬性組相對介電常數(shù)epsilor11基本相對磁導(dǎo)率mur11基本 4和12部分為介質(zhì)材料板，材料參數(shù)如下屬性名稱值單位屬性組電導(dǎo)率sigma0S/m基本相對介電常數(shù)epsilonr4.21基本相對磁導(dǎo)率mur11基本2和3部分為等離子體發(fā)生反應(yīng)腔體，其內(nèi)部反應(yīng)復(fù)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(zhì)及7個反應(yīng)，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(yīng)中反應(yīng)5在維持低壓氬放電現(xiàn)象中可以發(fā)揮重要的作用。激發(fā)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(wěn)定的亞氬原子離子化反應(yīng)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(xù)表面反應(yīng)得意進(jìn)行。一下為兩個表面反應(yīng)，當(dāng)一個亞穩(wěn)態(tài)氬原子與墻進(jìn)行接觸,它將有一定概率恢復(fù)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(xiàng)參數(shù)的設(shè)置之后，通過COMSOL軟件的仿真研究之后就可以得出反應(yīng)腔中我們所需的各項(xiàng)電子特性的模擬數(shù)據(jù)。4.2.1 電子密度分布此處模擬仿真了漂移擴(kuò)散后電子在各處的分布密度，反應(yīng)中的最大電子密度出現(xiàn)在射頻線圈下面，反應(yīng)器的中心位置，這里的電子密度足以產(chǎn)生一個屏蔽電場。電子溫度4.2.3 激發(fā)電子的電子數(shù)量密度激發(fā)態(tài)物質(zhì)數(shù)量密度的最大值也是在也是最大的中心出現(xiàn)。與帶電粒子不同,數(shù)量密度沒有迅速下降至接近墻壁附近。激發(fā)態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)是相對簡單,它們由高能量電子形成于反應(yīng)堆中心,并通過逐步電離及向邊緣擴(kuò)散而消散。因?yàn)榧ぐl(fā)的氬原子的遷移并不受電場的影響,他們

15、可以存在數(shù)量比離子高。峰值數(shù)量密度的激發(fā)態(tài)氬原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.02。4.2.4 電子電勢參考文獻(xiàn)：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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