《低温等离子体及其在室内空气净化中的应用》

西安工程大学  王与娟  黄翔  狄育慧

摘要  低温等离子体技术是目前国内外公认的去除室内污染物的最有效方法之一。本文介绍了低温等离子体的概念及其分类，阐述了低温等离子体常用的制备方法及空气净化原理，概述了低温等离子体在室内空气净化中的应用，并指出了该技术存在的问题和今后研究的方向。

 

关键词  室内空气品质   净化技术  低温等离子体  挥发性有机化合物

 

0 引言

自上个世纪90年代以来，室内空气品质成为各国政府和公众关注的重要环境问题之一。人们有80％以上的时间在室内度过，而由于室内装修装饰、大量电气产品和空调的普及、多种日用化学品的使用、建筑设计风格和中央空调使用导致的居室密闭程度增加等原因，致使室内产生大量的物理、化学、生物以及放射性污染因素，造成室内空气质量的严重下降，严重影响人们的身心健康和学习、工作效率。特别是在SARS疫情及9.11恐怖时件之后，人们已经了解到了室内空气品质问题的重要性和紧迫性。为此，寻求有效的方法去除空气中的有害气体，改善室内的空气品质，越来越受到人们的重视，成为研究的热点。目前改善室内空气品质主要措施或手段主要有以下三个方面：除源、通风、自净^[1]。本文介绍了近几年发展起来的利用低温等离子体空气净化技术，该技术具有处理流程短、效率高、能耗低、无二次污染、适用范围广等优点，并将传统的室内空气净化方法结合起来，逐渐显示出良好的发展前景。

1 等离子体及其分类^［2，3］

等离子体被称作除固态、液态和气态之外的第 4 种物质存在形态。它是由气体分子受热或外加电场及辐射等能量激发而离解、电离形成的电子、离子、原子(基态或激发态) 、分子(激发态或基态) 及自由基等组成的导电性流体。等离子体处于激发、电离的高能状态，其电子的负电荷和离子的正电荷总数数值相等，宏观上对外不显电性，呈中性，故称等离子体。其主要特征是：(1)带电粒子之间不存在净库仑力；(2)它是一种优良导电流体，利用这一特征已实现磁流体发电；(3)带电粒子间无净磁力；(4)电离气体具有一定的热效应。

根据产生源, 等离子体可分为辐射等离子体(Radiation plasma) 和放电等离子体(Discharge plasma) 。按照粒子的温度等离子体可分为热等离子体( Thermal plasma)或热平衡等离子体( Thermal equilibrium plasma) 和低温等离子体(Cold plasma) 或非平衡等离子体(Non－equilibrium plasma) 。在热平衡等离子体中, 电子与其它粒子的温度相等, 一般在5000K 以上。在非平衡等离子体中, 电子温度一般要高达数万度, 而其它粒子的温度只有300～500 K。相对热平衡等离子体而言，非平衡态的等离子体的电子具有足够高的能量使反应物分子激发、离解和电离，同时反应体系又可保持低温，乃至接近室温。因而在空气净化过程使用的等离子技术大多是低温等离子体技术。

2. 低温等离子体的空气净化原理^{［4，5，6，7，8，9］}

低温等离子体对空气的净化包括三个方面:荷电除尘、有害气体的催化净化、负离子净化等。它不仅可以分解气态污染物，还可从气流中分离出颗粒物质，如有毒的化学物质和病菌悬浮颗粒物等。图1为低温等离子体净化室内空气的一般工艺流程。

             图1 低温等离子体净化室内空气的一般工艺流程

2.1   荷电集尘

其原理是利用极不均匀电场，形成电晕放电，产生等离子体，其中包含的大量电子荷正负离子在电场梯度的作用下，与空气中的颗粒污染物发生非弹性碰撞，从而附着在上面，使之成为荷电离子。在外加电场力的作用下，被集尘极所收集。其处理过程分三个阶段：

            ①e＋M(污染物分子)→M^－

            ②M^－＋SP（固体颗粒）→(SPM)^－

            ③(SPM)^－→SPM(沉积在集尘器上)

集电极尘是一个物理过程，在这个过程中，对悬浮在空气中直径小于100μm的总悬浮颗粒（TSP）和直径小于10μm的可吸入颗粒（PM10）有较高的清除效率。

2.2 催化净化

等离子体的催化净化原理包含两个方面：一是在产生等离子体的过程中，高频放电所产生的瞬间高能量能够打开某些有害气体分子的化学能，使之分解为单质原子或无害分子；二是等离子体中包含大量的高能电子、离子、激发态粒子和具有强氧化性的自由基，这些活性粒子的平均能量和部分气体分子结合能如表１所示。从表中的数据比较可以看出，这些活性粒子的化学性质比基态分子活跃得多。在电场作用下，气体分子处于激发态，当气体分子获得的能量大于其分子键能的结合能时，气体分子的分子键断裂，有害气体分子直接分解成单质原子或由单一原子构成得无害气体分子。同时还会产生的大量·OH、·HO₂、·O等自由基和氧化性极强的O₃，它们能与有害气体分子发生化学反应，最后生成无害的产物。

表1 低温等离子体能量和一些气体分子得键能

活性粒子	能量（eV）	气体种类	键能（eV）
电子	0～20	NO	6.56
离子	0～2	NO2	6.17
激发态粒子	0～20	SO2	3.8
光子	3～40	CO	11.12
		C02	16.56
		H2S	5.43

2.3 负离子净化

在产生等离子体的过程中，同时也产生大量的负离子，若将这些负离子释放到室内空间，一方面能调节空气离子平衡；另一方面还能有效地清除空气中的污染物。高浓度的负离子同空气中的有毒化学物质和病菌悬浮颗粒物相互碰撞使其带负电。这些带负电的颗粒物会因吸引其周围带正电的颗粒物（包括空气中的细菌、病毒、孢子等）而积聚长大，最后脱离空气沉降到固体表面。

除了积聚过程外，在有限的空间里空气中带负电的颗粒物还被吸附到带正电的表面上,而通常情况下，房间里面大多数物体的表面(包括墙壁、地面、家具、电器等)都是带正电的。

调节空气中的离子平衡，使负离子浓度保持在适当的水平，这对改善空气品质有着重要的意义。

3. 等离子体常用制备方法^[5，3]

3.1 气体放电法

通常把在电场作用下气体被击穿的物理现象称之为气体放电，如此产生的电离气体叫做放电等离子体。根据气体放电机理、气压范围或电极的几何构型把低温等离子体的放电类型分为几组，它们是辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电和微波放电。

3.2 射线辐照法

利用各种射线或粒子束辐照使气体电离产生等离子体具体有以下几种：①利用放射性同位素发出的α，β ，γ 射线；②利用χ射线；③利用带电粒子束。

3.2 光电离法

当入射光子的能量大于某种原子或分子的电离能时，便能发生光电离。此外，还有靠加热来使物质发生状态变化的热电离法和利用光子能量产生等离子。

4. 低温等离子体技术在室内空气净化中的应用研究

4.1 利用低温等离子体去除室内氮氧化物

    室内氮氧化物主要来源于烹饪和取暖过程中燃料的燃烧，吸烟也可产生氮氧化物。氮氧化物对呼吸道有刺激作用，严重的还会导致心血管疾病。利用低温等离子体技术去除室内氮氧化物，放电形式选择脉冲电晕放电。与其他形式的电晕放电相比，脉冲电晕放电产生的等离子体去除氮氧化物具有能量利用率高、去除效率高、使用方便及能耗低等优点。S.Kanazawa 等人^{[10，11，12]}在采用低温等离子体净化NO 时发现, 通常使用添加剂(如甲烷、乙炔等还原性气体) 或者用氨水来吸收产物，可以提高NO的去除率。张强等人结合催化原理，研究了氮氧化物在低温等离子体在催化剂(AL₂O₃)联合作用下的分解和转化,得到了脱除率达到95 %以上的效果^［13］。西安交通大学的柳晶晶等人用针—板电极实验研究了影响脉冲放电等离子体去除NO₂效率的主要因素。实验表明，正脉冲电压的去除效率远高于负脉冲；脉冲峰值电压越高效率越高；随着NO₂初始质量浓度的增加，去除效率呈现先增后减的非单调曲线。通过实验首次也研究了磁场对NO₂去除效率的影响及其规律，试验表明磁场能有效提高NO₂的去除效率^［14］。

4.2 低温等离子体处理室内甲醛和VOCs

甲醛是办公室和居住空气中常见的有机污染物，是病态建筑物综合症（SBS）明确的危险因素之一。室内甲醛来源很多，与其他室内有机污染物相比，其健康影响在非工业性室内环境中最为突出，其去除方法一直引起着广泛的重视。现已研究证明，在室内甲醛体积分数相对于室内空气甲醛含量超标100倍时，利用低温等离子体技术去除室内甲醛，脱除率可到90％以上^[15]。梁文俊等通过实验表明,随着电场强度的增加,气流速度的降低、进口浓度的降低和在反应器中加入填料都会提高甲醛气体的去除效率^［16］。

挥发性有机化合物是一类重要的室内空气污染物。它们各自的浓度往往不高，但若干种VOC共同存在与室内时，其作用是不可忽视的。现已研究证明，利用低温等离子体技术在常压下去除空气中正己烷、环己烷、苯和甲苯等有机物降解产物为CO₂和H₂0,去除效率高，无二次污染^［17］。Yong sun Mork等人也通过实验研究证明了随着放电功率的升高和流速的降低使得VOCs的去除率增高（见表2）^［18］。S.Futamara等人研究证明，VOC的分解效率除受到放电功率、气体流速的影响外，还与它们的化学结构有关。在相同的条件下，不同的VOC由于化学结构的不同它们的分解效率也不同：例如乙烯比乙烷容易分解，这是由于乙烷和乙烯的C—H键的强度相同，虽然乙烯C=C键比乙烷C—C键的强度大，但是乙烷的化学结构更稳定：在激发状态下分解乙烷比乙烯所需要的活化能高。表3列出了不同的烃类在相同条件下的分解效率。从表3可以看出在相同的条件下，甲烷的分解效率最低。这是因为甲烷的化学结构是最稳定的，打破它的化学结构需要很高的能量^［19］。

 

 

 

 

表2 不同功率下丙稀的分解速率常数

表中:Q为气体流量，C₁为反应器进口浓度，C₂为反应器出口浓度，P_w为平均放电功率，

      P_w/Q为能量密度，k为反应速率常数

 

 

表3 几种VOCs分子的化学结构与分解效率

4.3 低温等离子发生器

    低温等离子体不仅可以去除室内有害气体，而且还可以杀死室内的微生物和颗粒污染物。根据低温等离子体对空气的净化原理可以将它应用到空气净化设备中去，开发出适合室内使用的空气净化器和可以用于空调系统的空气净化器，以提高室内空气品质。原乃武等人已开发了适用于将室内空气净化的两种低温等离子体发生电源，达到了成本低、体积小等优点^［2］。张华山通过实验观察了4种低温等离子体发生器对多种有害气体的净化效果，这4种发生器为介质阻挡等离子体发生器、电晕放电低温等离子体发生器、和市售的2种低温等离子体发射器。结果表明，电晕放电低温等离子体发生器对有害气体的净化效果要好于其他3种，其对甲醛、硫化氢的净化效果为100％，对氡、二甲苯、甲醛的净化率为90％，即电晕放电低温等离子体发生器对多种常见有害气体均有良好的净化效果^［4］。Mizuno 等人推荐使用填充床反应器以提高去除率^[5] , T.Oda 比较了coil 、rod、bolt 三种反应器, 得出在相同条件下, bolt 反应器的效果最好^[20，21]。

此外，研究者也多采用与催化剂（TiO₂）联合使用的球状颗粒物填充式等离子体发生器。这种发生器带有电极尘装置，工作时采用直流电压耦合脉冲电压。工作时在直流电压下，通过静电除尘器,促进微粒状物质的捕集；而TiO₂光催化剂通过放电产生的等离子体,被激发为高能粒子(电子、光子和亚稳态分子) ,结果在TiO₂ 催化剂的表面,有效地产生催化氧化反应,从而提高了污染物的除去速度^［22］。

综上所述，低温等, 离子体发生器在净化居室环境提高室内空气品质方面,具有独特的作用;同时,低温等离子体在处理如食品加工厂、废水处理厂等特定场所的污染空气时,具有能耗低、处理量大等特点,因此,低温等离子体净化居室环境技术完全能够达到实用化，可广泛地应用于医院、敬老院、卡拉OK厅、各种娱乐中心及宾馆、饭店等场所,具有广泛的市场。

5. 问题及今后研究的方向

采用低温等离子体技术可以同时去除多种污染物，且去除效率较高，并对温度和压力没有要求，是一种有效的去除或降低室内污染物的方法，具有比其它物理过滤净化更好的效果，是一种十分有前途的控制室内污染物以提高室内空气品质的技术。但是由于它的反应过程复杂，受到许多外在因素的影响，放电过程中有可能会产生聚合反应，生成聚合物，并会生成少量不完全产物CO等。因此，今后还需进一步研究的方向是：

①     深入研究低温等离子体去除污染物机理，以提高室内有害气体的去除效率、降低能耗。

②     寻找合适的催化剂，并开发出在放电形式、电极结构、放电管（或板）结构以及输入电源的性能等方面与催化剂最佳配置的等离子体反应器。

③     提高等离子体反应器长时间操作的稳定性。

④     研究放电对低温等离子体处理室内污染物过程中的中间产物或最终产物的影响及这些不完全产物的去除问题^[23]。

⑤     开发集电除尘和分解有害气体物质一体化的放电等离子体净化装置，同时可以尽可能使净化装置小型化。

⑥     利用低温等离子体技术开发出多功能空气过滤材料。

目前空调系统中都装有空气过滤器，其核心是空气过滤材料。利用低温等离子体技术对空气过滤材料进行功能性整理，使之具有拒水、拒油、抗静电及拒污等功能对于大气的治理及提高室内空气品质起到积极的作用。我校是以纺织为特色的高校，多年来致力于功能性纺织材料的研究，目前正将该项技术应用于空气过滤材料整理的研究中。

低温等离子体技术已被证明是净化室内空气最具有发展前景的净化技术，但等离子体技术设计物理、化学、反应工程等诸多学科，只有深入研究，将这些学科结合起来才可使该项净化技术尽快实现实用化。

 

 

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