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常压非平衡等离子体源污染处理技术

只有当能够在常压条件下产生非平衡等离子体的设备问世以后,等离子体污染治理技术才具有实际意义,并且有望获得广泛应用。这是由于等离子体处理技术必须具有足够快的处理速度,使之能够应对发电厂等典型污染源所产生的大量排放废气。用于环保用途的等离子体源应采用高能电子束激发或电子放电技术。电子放电技术包括脉冲电晕放电、介质阻档放电、填充床式电晕放电等。用于常压非平衡等离子体处理工艺的技术应阻止辉光放向弧光放电的过度。放电过程中产生的电子能量通常是小于5eV,电场能量使这些电子能够获得远高于周围气体分子的动能,高能电子与周围气体分子发生碰撞后产生活性组分(如自由基、阴离子、阳离子和二次电子),从而有效分解污染物。

许多的放电过程都是通过大量的微放电子流,产生称其为微射流的非平衡放电。局部强烈的放电波产生高强度微放电射流,这种微放电射流同时使放电波前的外加电场得到增强,从而在电场中引发电子雪崩。微放电射流的寿命很短,在这段很短的时间内离子不会移动,也不会消耗能量,因此电子流的能量利用效率很高。采用空间电荷来屏蔽电极电势的被动方法,或采用纳秒级高压脉冲的主动方法,可生成持续时间极短的微放电射流。

电晕放电时气体在不均匀电场中出现的高压放电现象。不均匀电场可采用小尺寸单电极或双电极制成。放电电极多采用线-柱或点-面结构形式,电流可采用直流、交流或脉冲电流。最为常见的脉冲电晕放电采用纳秒级脉冲放电,放电脉冲 的大部分电能用于产生高能电子。混合气体中发生的放电类型取决于电极结构和电源类型。反应区域形成尘埃,尘埃可被电场隔离。通过采用雾化水或碱性溶剂(用来中和酸性物质),可以提高处理效率。在电极间的空隙内添加钛酸钡(钛酸钡的相对介电常数为15000)等铁电材料,可以增强电场强度,并提高电晕放电效率。

应用于环保领域的电晕放电装置通常由一系列平行布置且并联连接的电晕放电管组成。这种排列方式可以有效提高系统处理大流量污染气体的能力。其最大优点在于,这种放电方式可以很容易扩大系统规模,以满足处理大流量气体的需求。

在电极表面的涂层采用催化层,比单纯化学催化层更具优势。在传统催化剂中,参与某些化学反应的电子是通过化学方法获得的。例如,在表面涂层中添加适当的电子供体物质(如添加氧化镁)。而在电催化工艺中,电子是由放电过程本身所提供。这是一种效率更高的方法,放电管全长范围内都会发生催化过程,因此电催化的催化效率远高于传统催化。

通过两种方法可以分离等离子体化学反应的产物。采用静电法分离带电粒子,中性粒子则采用在电风中的对流法进行分离。上述分离方法适用于粒径为0.1~100μm的颗粒状产物。

脉冲电晕发生器中所采用的支持技术是非常先进的。正极电晕负载最为重要的电学特征在于,在不同的时间和输入电压下,其放电阻抗不是常数。产生这一现象的原因在于,发生器采用了同时具备电阻和电容特性的元器件。为此,研究人员采用脉冲技术开发出一种采用恒定电压脉冲的电晕发生器。

如果在电极间的空隙中填充介电或铁电材料,气体击穿后,等离子体边界区域会发生地电离而出现极性,使放电过程都停止。施加双极脉冲后,会产生放电,清空间隙中的电荷,并激发另一次瞬间放电。西门子与20世纪50年代最早推出这种技术,并将其命名为“无声放电”。此后,这种放电方式一直被用于臭氧的商业化生产,用途为净化水及漂白纺织品。很多实验室还将电晕放电和介质阻档放电两种放电方式整合在一起。填充有介电或铁电材料的电极在放电时可以起到催化作用。每一种放电方式都有其独特的特点,并适用于特定组分。如果水或其他合适的介质在放电空隙中物化,则可直接采用直流放电取得与介电层放电类似的效果。

还有一种非平衡等离子体装置为紫外光化学反应器,该反应器采用表面放电等离子体源。这种反应器采用平板陶瓷或塑料表面,在其表面上贴附系列条状电极,同时在材料内部埋置有薄膜状的反电极。在两个电极上施加高电压,高频率的脉冲时,在表面电极附近的气体会被击穿,并在电极表面形成大量的、高通量的紫外辐射源。

滑动电弧放电是一种沿扩散式电极滑动的电弧放电。这种电弧类似一种等离子体弦,可在周围弱电离区域内加热气体并产生活性组分。

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