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    低溫等離子體廢氣治理工藝原理

    電子廠廢氣處理設備-六種電子廠廢氣凈化處理方法

    低溫等離子體廢氣治理工藝原理

    等離子體是 1928 年 Langmuir 等人提出的,是 由大量的電子、原子、分子、離子等粒子組成的,且 其中正離子與電子、負離子的電荷量大體相等,整 體上呈電中性的媒質。等離子體按照熱力學平衡 可分為 3 大類,即完全熱力學平衡等離子體、局部 熱力學平衡等離子體和非熱力學平衡等離子體。 完全熱力學平衡等離子體又稱為高溫等離子體, 在該類等離子體中電子、離子和氣體分子的溫度 完全相同,即達到熱力學平衡,如核聚變等離子體 和太陽上的等離子體等。由于等離子體中各粒子 很難維持熱平衡,當電子、離子及氣體溫度局部達 到熱平衡,該等離子體被稱為局部熱力學平衡等 離子體,又稱為熱等離子體,如電弧、燃燒等離子 體。非熱力學平衡等離子體也稱為低溫等離子 體,是指電子溫度遠遠高于其他粒子溫度的等離 子體,如輝光放電、電暈放電等 [2] 。圖 1 為幾種常 見等離子體中電子溫度與氣體溫度相關圖。

    在低溫等離子體中,電子溫度達到 10 4 ~ 10 5 K,而其他粒子溫度只有 300 ~ 500 K,因此反應體 系處于低溫狀態。低溫等離子體技術能夠在常溫 常壓條件下產生大量高能電子和活性物質,使常 規方法難以處理或處理效果較低、反應速率緩慢 的 VOCs 分子得到迅速、高效的降解,在有機廢氣 處理方面具有廣泛的應用前景 [2] 。 低溫等離子體處理 VOCs 電極結構形式分為 電暈放電和介質阻擋放電。電暈放電采用非均勻 電場的電極結構,分為線 - 筒式,線 - 板式以及針 - 板式等,根據電源種類不同分類也不同,直流高 壓電源供電時可分為正直流電暈放電和負直流電 暈放電,脈沖高壓電源供電時可分為正脈沖電暈 放電和負脈沖電暈放電,交流高壓電源供電時可 分為低頻交流電暈放電和高頻交流電暈放電,通 過直流、交流和脈沖高壓電源供電,當施加電極間 電壓達到氣體擊穿時,產生雪崩放電形成等離子 體;介質阻擋放電是指在電極之間插入至少一層 絕緣介質阻止放電間隙的火花放電向弧光放電過 渡,使氣體放電穩定,故稱介質阻擋放電(簡稱 DBD),又稱為無聲放電,分為沿面放電、體放電和 填充床放電 3 大類。 等離子體化學反應過程中,能量傳遞大致如下: 電場 + →  電子 高能電子 高能電子 + 分子(或原子 →  ) (受激原子、受 激基團、游離基團)活性基團 活性基團 + 分子(原子 →  ) 生成物 + 熱 活性基團 + →  活性基團 生成物 + 熱 電子首先從電場獲得能量,通過激發或電離 將能量轉移到分子或原子中,獲得能量的分子或 原子被激發,同時有部分分子被電離,從而成為 活性基團,之后這些活性基團與分子或原子、活性基團與活性基團之間相互碰撞后生成穩定產 物和熱。

    另外,高能電子也被鹵素和氧氣等電子親和力較強的物質俘獲,成為負離子,這類負離 子具有很好的化學活性,在化學反應中起著重要作用。 放電等離子體空間內存在大量的電子和活性 自由基、離解原子、激發態分子等活性離子,具有 較強的反應活性,可使一些難以實現的化學反應 在等離子體內的進行。 等離子體化學反應過程主要有以下幾方面: 在高能電子的作用下強氧化自由基如·O、·OH、 HO 2 ·的生成;有機物分子受到高能電子碰撞,被 激發及原子鍵斷裂形成小碎片基團或原子;·O、 ·OH、HO 2 ·等活性自由基與激發原子有機物分 子、破碎的分子基團、自由基等發生一系列反應。 電子在等離子體反應中起著至關重要的作 用,在等離子體反應中電子的平均能量決定了產 生活性基團的種類和為產生這些活性基團外界所 施加的能量。如前所述,介質阻擋放電產生的電 子能量為 2 ~20 eV,最大的能量分布概率在 2 ~12 eV 之間,VOCs 分子合成和分解所需要的能量均 在自由電子能量分布概率最大的區域內。表 1 列 舉了 VOCs 分子中主要化學鍵合成和分解的能量。

    當電子所具有的能量與 VOCs 分子內部某一 化學鍵能相同或略大,電子與 VOCs 分子的碰撞將 是非彈性碰撞,電子將自身的能量全部或大部分 傳遞給 VOCs 分子,這些能量轉化為 VOCs 的內 能,因此污染物分子將發生電離、解離和激發。由 于電子具有的能量大于 VOCs 分子的鍵能,因此介 質阻擋放電產生的電子可以有效地破壞污染物分 子。實驗證明,分子結構對于污染物的去除影響 很大,一般來說,鍵能越小,帶有支鏈的 VOCs 分子 越容易被降解。在電子破壞 VOCs 結構后,VOCs 原有的穩定性受到破壞,電離或離解后的 VOCs 碎 片分子很容易與氣體中存在的陽等離子體發生反 應,一旦開始,將很快進行下去,直至終產物的 形成。

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