等離子技術(shù)在環(huán)境治理中的應(yīng)用

等離子技術(shù)在環(huán)境治理中的應(yīng)用環(huán)境科學(xué)與工程進(jìn)展等離子體等離子體是由電子、離子、自由基和中性粒子組成的導(dǎo)電性流體。整個(gè)體系呈電中性,具有與一般氣體不同的性質(zhì),容易受磁場(chǎng)、電場(chǎng)的影響,稱(chēng)為物質(zhì)第四態(tài)。它為化學(xué)反響提供必須的能量粒子和活性物種,在化學(xué)工業(yè)、材料工業(yè)、電子工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、國(guó)防工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)等方面有著廣泛的應(yīng)用。概況機(jī)理與方法當(dāng)氣體分子以一定的方式在外部鼓勵(lì)源的電場(chǎng)被加速獲能時(shí),能量高于氣體原子的電離電勢(shì)時(shí),電子與原子間的非彈性碰撞將導(dǎo)致電離而產(chǎn)生離子電子,當(dāng)氣體的電離率足夠大時(shí),中性粒子的物理性質(zhì)開(kāi)始退居次要地位。整個(gè)系統(tǒng)受帶電粒子的支配,此時(shí)電離的氣體即為等離子體。等離子體發(fā)生器有以下兩大類(lèi)共計(jì)八種產(chǎn)生方法。等離子包括放電等離子和化學(xué)等離子,放電等離子可分為有電極和無(wú)電極兩類(lèi)。有電極有電弧放電、輝光放電、電暈放電和無(wú)聲放電。無(wú)電極有高頻感應(yīng)、微波放電和激波放電。其中電弧放電、輝光放電和高頻放電分直流和交流兩種。電弧直流放電有內(nèi)極和外極之分。等離子體

等離子體的分類(lèi)方法有很多,根據(jù)溫度和內(nèi)部的熱力學(xué)平衡性,可將等離子體分為平衡態(tài)等離子體和非平衡態(tài)等離子體。在熱力學(xué)平衡等離子體內(nèi),電子溫度與離子溫度相同,屬于一個(gè)處于熱力學(xué)平衡的整體,體系溫度非常高,因此又稱(chēng)為高溫等離子體。最典型的例子是電感耦合等離子體(ICP)。此外,在較高電壓下的火花放電和弧光放電也能獲得此類(lèi)等離子體。非平衡態(tài)等離子體內(nèi)部的電子溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于離子溫度(電子溫度可高達(dá)104K,而離子溫度一般只有300～500K)系統(tǒng)處于熱力學(xué)非平衡態(tài),其表觀溫度較低,所以被稱(chēng)為低溫等離子體。此類(lèi)等離子體通常可通過(guò)氣體放電得到。常見(jiàn)的有輝光放電,射頻放電和微波放電等。分類(lèi)等離子體高溫等離子體熱等離子體低溫等離子體冷等離子體燃燒等離子體特點(diǎn)等離子體等離子體技術(shù)應(yīng)用于污染治理的研究開(kāi)始于20世紀(jì)50年代,由于等離子體中的電子具有較寬的能量分布,電子能量高,可與原子、分子碰撞,產(chǎn)生各種粒子,從而進(jìn)行熱化學(xué)較困難甚至不可能進(jìn)行的化學(xué)反響。等離子體技術(shù)的應(yīng)用因其特點(diǎn)而異,高溫等離子體是應(yīng)用等離子體的物理特性,其研究的目的是利用高溫下氘氚核聚變反響解決未來(lái)的能源問(wèn)題。在目前的實(shí)驗(yàn)研究和所期望的商業(yè)運(yùn)行之間仍存在各種極富挑戰(zhàn)性物理及工程技術(shù)障礙。而低溫等離子體是利用其中的高能電子(0～10eV)參與形成的物理化學(xué)反響過(guò)程,通過(guò)這些物理化學(xué)過(guò)程可以完成許多普通氣體及高溫等離子體難以解決的問(wèn)題。平衡態(tài)等等離子體的應(yīng)用技術(shù)因其特點(diǎn)而異,平衡態(tài)等離子體技術(shù)利用等離子體的物理特性;而非平衡態(tài)等離子體技術(shù)那么利用其中的高能電子(0～20eV)參與形成的物理、化學(xué)反響過(guò)程,在這一過(guò)程中,高能電子起決定性作用,離子的熱運(yùn)動(dòng)只有負(fù)作用。低溫等離子體技術(shù)正是利用這一特點(diǎn)解決環(huán)境中“三廢〞污染問(wèn)題,同化學(xué)或其它的方法相比,等離子體具有更高的溫度和能量密度,等離子體能夠產(chǎn)生活性成分,從而引發(fā)在常規(guī)化學(xué)反響中不能或難以實(shí)現(xiàn)的物理變化和化學(xué)反響。原理等離子體從化學(xué)角度看,等離子體空間富集的離子、電子、激發(fā)態(tài)的原子、分子及自由基,是極活潑的反響物種。譬如,氫等離子體中富集了高活性的原子氫。同樣的,氧氣、水和有機(jī)物之類(lèi),也都可以形成各自的等離子體,產(chǎn)生相應(yīng)的高活性物種。低溫等離子體中重要的單元過(guò)程大致如表：原理等離子體的應(yīng)用技術(shù)因其特點(diǎn)而異。高溫等離子體技術(shù)是利用等離子體的物理特性。而低溫等離子體技術(shù)那么利用其中的高能電子(0～10eV)參與形成的物理、化學(xué)反響過(guò)程,通過(guò)這些物理化學(xué)過(guò)程可以完成許多普通氣體及高溫等離子體難以解決的問(wèn)題。由于廢氣中污染物的濃度不高,用低溫等離子體處理廢氣能到達(dá)既節(jié)能又治理污染物的目的,故在大氣污染的處理中,主要應(yīng)用低溫等離子體技術(shù)。在對(duì)有害氣體的治理中,通過(guò)放電產(chǎn)生的等離子體中的高能電子起決定作用,離子的熱運(yùn)動(dòng)只起輔助作用。常壓下,氣體放電產(chǎn)生的低溫等離子體中,電子溫度遠(yuǎn)高于氣體溫度。這種特性對(duì)治理有害氣體具有非常重要的能量?jī)r(jià)值。高能電子與氣體分子(原子)發(fā)生非彈性碰撞將能量轉(zhuǎn)化為基態(tài)分子的內(nèi)能,發(fā)生激發(fā)、離解和電離等一系列過(guò)程,使氣體處于活化狀態(tài)。一方面翻開(kāi)氣體分子鍵,生成一些單質(zhì)原子或由單一氣體原子組成的單原子分子和固體微粒;另一方面產(chǎn)生大量的活性基團(tuán)和O3等強(qiáng)氧化性基團(tuán)。由這些單原子分子、自由基和O3等組成的活性粒子所引起的化學(xué)反響,最終將廢氣中的有害物質(zhì)變成無(wú)害物質(zhì)。環(huán)境應(yīng)用等離子體大氣污染控制等離子體大氣污染控制工業(yè)廢氣中粉塵和飄塵以氣態(tài)和氣溶膠態(tài)長(zhǎng)期懸浮在空氣中,對(duì)大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染,其中粒徑在(0.1～5)μm之間的顆粒對(duì)人體危害最大。等離子體技術(shù)作為一種高效、新型的除塵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了除塵脫硫脫硝一體化。其除塵原理是:通過(guò)電暈放電產(chǎn)生的低溫等離子體,其中的電子和離子在梯度場(chǎng)的作用下和廢氣中的顆粒物相互碰撞并附著在這些粒子上,使之成為荷電粒子,在電場(chǎng)力作用下向收塵極(又稱(chēng)集塵極)運(yùn)動(dòng)并在收塵極上沉積,從而到達(dá)除塵的目的。

1.總懸浮顆粒、飄塵的凈化處理過(guò)程分三個(gè)階段：第一階段:e+M※Mˉ第二階段:Mˉ+SP(固體顆粒)※(SPM)ˉ第三階段:(SPM)ˉ※SPM(沉積在集塵極上〕等離子體大氣污染控制

污染空氣中的主要成分有:總懸浮顆粒、漂塵、硫氧化物、氮氧化物、硫化氫、氨、碳氧化物和有機(jī)蒸汽(VOCS)等,它們分別來(lái)自于生活污染源、工業(yè)污染源、和交通污染源。2.脫硫脫硝在工業(yè)廢氣中,對(duì)環(huán)境影響最為嚴(yán)重的污染物是硫氧化物和氮氧化物。等離子體技術(shù)是20世紀(jì)70年代開(kāi)展起來(lái)的同時(shí)脫硫脫硝技術(shù),該法的根本原理是利用等離子體活化產(chǎn)生的強(qiáng)氧化的自由基,并在氨氣的參與下,將煙氣中的SO2和NOX轉(zhuǎn)化為硝酸銨、硫酸銨和其復(fù)鹽的固體微粒。根本方式根本原理根本方式電子束法(EBA法)電子束法是靠電子加速器產(chǎn)生高能電子束[(400～800)keV]來(lái)輻照煙氣,使其產(chǎn)生活性物質(zhì)(如·OH,·HO2,·O),促進(jìn)分子間的化學(xué)反響。脈沖電暈放電法(PPCP法)脈沖電暈放電法是從電子束法開(kāi)展而來(lái)的煙氣脫硫脫硝技術(shù),其機(jī)理與電子束法根本相同,它是靠脈沖高壓電源在普通反響器中形成等離子體,產(chǎn)生高能電子[(5～20)eV]。在氣相中，通過(guò)高能電子激發(fā)，高壓放電能夠引發(fā)復(fù)雜的化學(xué)反響，包括自由基反響、離子?分子反響、受激粒子反響和自發(fā)化學(xué)反響等。借助上述反響過(guò)程，高壓放電能夠改變二氧化硫和氮氧化物的價(jià)態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)脫硫脫硝。等離子體大氣污染控制2.脫硫脫硝等離子體大氣污染控制汽車(chē)尾氣污染是一個(gè)全球性問(wèn)題。由于汽車(chē)相對(duì)集中在城市,單車(chē)排放因子高,故汽車(chē)排放的黑煙(顆粒物)、NOX、CO和HC等已成為城市地區(qū)的主要大氣污染物。

3.汽車(chē)尾氣治理主要方式機(jī)內(nèi)凈化將空氣離子化,即將空氣送入內(nèi)燃機(jī)之前,利用低溫等離子體臭氧發(fā)生器將空氣中的氧轉(zhuǎn)化為臭氧,然后進(jìn)入燃燒室便分解為負(fù)氧離子,使火焰膨脹,促進(jìn)燃燒,從而提高了反響速率。要有電暈放電、介電位壘放電、沿面放電等幾種形式,利用等離子體體系中的活性物種強(qiáng)化(催化)氧化—復(fù)原反響,將汽車(chē)尾氣中的有害物質(zhì)通過(guò)氧化、復(fù)原或離解而轉(zhuǎn)化為無(wú)害或低害物質(zhì)以到達(dá)降低環(huán)境污染的目的。其中介電位壘放電可在低溫條件下實(shí)現(xiàn)HC、CO、NOX和SO2的氧化,可捕集顆粒物,是處理汽車(chē)尾氣的一項(xiàng)新穎技術(shù)。機(jī)外凈化等離子體大氣污染控制污染物質(zhì)主要有香煙煙霧、甲醛、NOX、SO2、飄塵及惡臭等,它們多數(shù)吸附在顆粒物上,對(duì)人體健康影響較大。非平衡等離子技術(shù)應(yīng)用于空氣凈化,不但可分解氣態(tài)污染物,還可從氣流中別離出微粒,整個(gè)凈化過(guò)程涉及預(yù)荷電集塵、催化凈化和負(fù)離子發(fā)生等作用。4.室內(nèi)空氣凈化等離子體大氣污染控制等離子體分解破壞揮發(fā)性有機(jī)污染物通過(guò)以下兩種途徑進(jìn)行：5.VOCS治理〔1〕高能級(jí)電子直接作用于污染物分子:e+污染物分子※各種碎片分子〔2〕高能級(jí)電子間接作用于污染物分子:e+O2(N2,H2O)※2O(N,N＊,OH)+污染物分子※中性分子

當(dāng)非平衡等離子體電離度、氣體污染物濃度不高時(shí),高能電子的間接作用是主要的。研究證明:非熱平衡放電等離子體在處理中低體積分?jǐn)?shù)(100×10-6～1000×10-5)的VOCs非常有效,對(duì)氟利昂等難降解有機(jī)污染物具有很好的去除效果。等離子體固體廢棄物處理技術(shù)等離子體處理系統(tǒng)主要有進(jìn)料系統(tǒng)、等離子體處理室、熔化產(chǎn)物處理系統(tǒng)、電極驅(qū)動(dòng)及冷卻密封系統(tǒng)組成。工藝流程等離子體固體廢棄物處理技術(shù)城市的垃圾處理一般采用燃燒的方法,在燃燒爐中燒毀后,產(chǎn)生的灰成分呈低松密度,還可能含有可過(guò)濾的大量的有毒重金屬和有機(jī)類(lèi)物質(zhì),對(duì)環(huán)境造成再污染。等離子體技術(shù)正逐漸被應(yīng)用于城市固體廢棄物(MSW)和污水污泥(SSW)的處理。采用直流等離子體對(duì)垃圾燃燒灰進(jìn)行熔融處理,熔融效率極佳,垃圾燃燒灰熔融后,將熔渣投入水中做成玻璃狀顆粒,可再利用于道路鋪裝或混凝土的混合材料,二惡英等有害物質(zhì)也被高溫分解掉,而且產(chǎn)生熱量的54%可以回收利用。這種熱等離子體廢物熔融處理法還可以用于金屬資源的回收,如用于低含量鋅的二次回收,從鉭電容器中回收金屬鉭,以及處理汽車(chē)尾氣催化劑來(lái)回收金屬鉑等。用于處理固體廢物的等離子體的溫度一般為幾千度甚至上萬(wàn)度,這時(shí)等離子體中的離子和電子具有很高的能量,可將固體廢物中的分子徹底分解,再重新組合。這時(shí)有害氣體被分解,重金屬被別離出來(lái),剩余的有害物質(zhì)被熔融后被固化成硅石。由于整個(gè)處理過(guò)程和處理環(huán)境實(shí)現(xiàn)了“全封閉〞,因此不會(huì)造成對(duì)空氣的污染,同時(shí)排放出的玻璃體可用作建材,金屬可回收使用,從而根本上實(shí)現(xiàn)了真正意義上的污染物“零排放〞。

研究應(yīng)用等離子體固體廢棄物處理技術(shù)中國(guó)科學(xué)院等離子體研究所通過(guò)150kw的高效電弧在等離子高溫?zé)o氧狀態(tài)下,將危險(xiǎn)廢棄物在爐內(nèi)分解成氣體、玻璃體和金屬三種物質(zhì),然后從各自的排放通道有效別離。由于整個(gè)處理過(guò)程和處理環(huán)境實(shí)現(xiàn)了“全封閉〞,因此不會(huì)造成對(duì)空氣的污染,同時(shí)排放出的玻璃體可用作建材,金屬可回收使用,從而根本上實(shí)現(xiàn)了真正意義上的污染物“零排放〞。采用等離子體技術(shù)的高溫特性處理城市污水廠的污泥,得到了類(lèi)似水煤氣的氣體產(chǎn)物。處理后的污泥呈現(xiàn)玻璃態(tài)或明顯碳化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了等離子體技術(shù)處理城市污泥的可能性。利用自行研制的功率為100kw、處理量為10kg/h的等離子體焚化爐,在1650℃下處理不可燃放射性廢物,最終將放射性廢物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的玻璃態(tài)或陶瓷狀的熔渣。用石墨電極等離子體熔爐處理城市固體廢棄物燃燒后剩余物,得到了不含重金屬的熔渣,無(wú)NOx氣體排放,HCl、SOx氣體的產(chǎn)生也相對(duì)受到抑制。深圳市真高科實(shí)業(yè)針對(duì)醫(yī)院里帶菌、帶毒醫(yī)療垃圾處理難等問(wèn)題,與清華大學(xué)、核工業(yè)物理研究所共同研發(fā)出新型“等離子體特種垃圾燃燒爐〞,該產(chǎn)品經(jīng)醫(yī)院使用后顯示,能有效地實(shí)現(xiàn)醫(yī)療垃圾無(wú)害化處理。研究應(yīng)用等離子體水污染治理技術(shù)廢水包括生活污水和工業(yè)廢水。生活污水的水質(zhì)比較穩(wěn)定,不含有害物質(zhì),含有機(jī)物較多,如蛋白質(zhì)、油脂和碳水化合物等。工業(yè)廢水種類(lèi)繁多,成分復(fù)雜,有印染廢水,焦化廢水,硝基苯廢水,含酚廢水,制漿廢液等。非平衡等離子體技術(shù)是一種集高能電子輻射、臭氧氧化、紫外光解等3種作用于一體的廢水處理技術(shù)。研究說(shuō)明:3種方法協(xié)同作用時(shí),處理效果優(yōu)于各方法的單獨(dú)作用。臭氧等離子體在氧化污染物時(shí)無(wú)選擇性,可引發(fā)鏈反響,直接將有害物氧化成為二氧化碳、水或礦物鹽,不造成二次污染。許多國(guó)家自來(lái)水廠都用臭氧等離子體技術(shù)來(lái)凈化自來(lái)水,該技術(shù)在水處理方面發(fā)揮了巨大的不可替代的作用。印染廢水的特點(diǎn)是顏色深、COD高、危害大,其成分復(fù)雜,含有多種染料、印染助劑、酸、堿、無(wú)機(jī)鹽等。李勝利等利用高壓脈沖放電等離子體處理印染廢水,研究說(shuō)明:高壓毫微秒脈沖技術(shù)能有效地將染料大分子破壞成小分子,取得了較好的脫色效果。焦化廢水成分復(fù)雜,含有氰化物、氨氮、難降解的大分子有機(jī)物等多種污染物,對(duì)環(huán)境的危害極大。熱等離子體技術(shù)能產(chǎn)生10000K以上的高溫,可使污染物迅速分解,對(duì)廢液的處理效率很高,尤其對(duì)多氯聯(lián)苯(PCB)、劇毒農(nóng)藥六六六和生物技術(shù)及醫(yī)院等行業(yè)的高毒性與高傳染性廢液的處理有明顯的先進(jìn)性和優(yōu)越性。針對(duì)這類(lèi)廢液的等離子體處理技術(shù)代表有澳大利亞的PLASCONTM技術(shù),法國(guó)的電感耦合等離子流化反響器(PlasmaFluidized-bedReactor),波蘭的聯(lián)合等離子體PCB處理裝置。我國(guó)的廈門(mén)大學(xué)和香港浸會(huì)大學(xué)合作進(jìn)行了電感偶合等離子體(ICP)技術(shù)的研究,建立了一套實(shí)驗(yàn)室研究用低功率ICP工作系統(tǒng),該技術(shù)可能替代直流等離子體進(jìn)行廢物處理。研究應(yīng)用等離子體水污染治理技術(shù)低溫等離子體處理廢液技術(shù)低溫等離子體不同于一般中性氣體,其根本特點(diǎn)是系統(tǒng)主要由帶電粒子支配,受外部電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)的影響,存在多種基元過(guò)程和等離子體與固、液體外表的相互作用,具有獨(dú)特的光、熱、電等物理性質(zhì),可以產(chǎn)生多種物理過(guò)程和化學(xué)反響,由此開(kāi)展形成了各種低溫等離子體技術(shù),包括涂鍍技術(shù)、微細(xì)粉末合成、廢物處理、提取冶金技術(shù)等。熱等離子體技術(shù)處理廢液等離子體水污染治理技術(shù)圖2所示為Westing-house研制的等離子體熱解反響器系統(tǒng)示意圖[3],其反響器有1MW的非轉(zhuǎn)移等離子體炬。反響生成物經(jīng)過(guò)一個(gè)耐熱的熱反響直管道進(jìn)入一個(gè)大的儲(chǔ)箱,再?gòu)倪@里排到洗氣裝置。Westinghouse炬由兩個(gè)相同直徑的圓柱形水冷電極組成,等離子體(空氣)從它們之間的一個(gè)窄間隙射入,液體廢物在緊接等離子體炬出口處噴入氣流,只有液體廢物能被處理。此反響器當(dāng)炬的能量為850kW時(shí),PCB的處理速度可到達(dá)12L/min,處理效率可達(dá)8～9成,粒子和酸排出物到達(dá)美國(guó)環(huán)保局的標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)反響裝置可自成體系地安裝在一個(gè)拖車(chē)上,移動(dòng)方便。熱等離子體技術(shù)處理廢液等離子體水污染治理技術(shù)冷等離子體處理廢水技術(shù)是一種兼具高能電子輻射、臭氧氧化和紫外光解等3種作用于一體的全新的廢水處理技術(shù),能將含苯環(huán)有機(jī)物破壞。研究說(shuō)明,3種方法協(xié)同作用時(shí),對(duì)難降解有機(jī)廢水的處理效果優(yōu)于各方法單獨(dú)使用。冷等離子體處理難降解有機(jī)廢水的作用機(jī)理：(1)高能電子作用機(jī)理冷等離子體內(nèi)的高能電子轟擊水溶液,首先是水分子發(fā)生電離與激發(fā),在10-7s內(nèi)生成離子、激發(fā)分子與次級(jí)電子,生成反響能力極強(qiáng)的物質(zhì)冷等離子體技術(shù)處理廢液·OH是常用氧化劑中最強(qiáng)的氧化劑,它容易攻擊有機(jī)分子的高電子云密度的部位,形成易氧化的中間產(chǎn)物;能脫去有機(jī)分子上的一個(gè)氫,形成R·自由基,R·能被水中溶解氧進(jìn)一步氧化成ROO·,ROO·再發(fā)生一系列反響,分解為小分子,即