張 宏 黃玉良 蔡亮亮

室內(nèi)空氣污染現(xiàn)象廣泛存在于各類居室、學(xué)校、醫(yī)院、辦公室等場所。室內(nèi)空氣的污染源大致有以下幾個:燃燒，人為活動，建筑材料，室外污染物以及通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的二次污染。室內(nèi)空氣中通常污染物有:ETS(Environmental Tobacco Smoke)，SPM(S)，SO2，NOx，CO，CO2，VOCs，氨類化合物，灰塵，霉菌，空氣微生物，正離子和臭氧、鉛、氡等?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究證明，室內(nèi)空氣污染已經(jīng)成為人類健康的重大威脅。2001年 5月在華盛頓召開的世界環(huán)境大會指出:室內(nèi)空氣污染比室外空氣污染更為嚴(yán)重，高出 2倍～3倍以上，其危害性也是室外空氣污染的數(shù)倍，而且，危害性是長期的、潛在的。因此，必須加強(qiáng)消除室內(nèi)污染的技術(shù)研究，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，這對于改善人們的居室環(huán)境具有重要意義。

1 等離子體分類

等離子體的狀態(tài)主要取決于它的組成粒子、粒子密度和粒子溫度。根據(jù)離子溫度的差異，等離子體可分為熱平衡等離子體，熱等離子體和非平衡等離子體或低溫等離子體。而非平衡等離子體按產(chǎn)生的方式、壓強(qiáng)范圍、電極形狀可分為五類:1)輝光放電等離子體;2)電暈放電等離子體;3)介質(zhì)阻擋放電等離子體;4)射頻放電等離子體;5)微波放電等離子體。

2 非平衡等離子體空氣凈化機(jī)理及方式

非平衡等離子體技術(shù)是一個集物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和環(huán)境科學(xué)于一體的交叉綜合性技術(shù)。該技術(shù)具有費用低、凈化效率高等明顯優(yōu)點。

2.1 非平衡等離子體的空氣凈化機(jī)理

非平衡等離子體是使分子活化的有效方法，它能使幾乎所有的分子激發(fā)、電離和自由基化，產(chǎn)生大量的活性基團(tuán)。尤其對空氣污染物的脫除，可在很短的時間內(nèi)使其分解甚至完全分解。如表 1所示為非平衡等離子體能量和一些氣體分子的鍵能。

表1 非平衡等離子體能量和一些氣體分子的鍵能

研究表明，等離子體分解空氣污染物可通過以下兩種途徑進(jìn)行:

1)高能級電子直接作用于污染物分子。

2)高能級電子間接作用于污染物分子。

2.2 應(yīng)用構(gòu)想

根據(jù)上述非平衡等離子體空氣凈化原理，可開發(fā)出適合室內(nèi)使用的采用模塊式結(jié)構(gòu)的空氣凈化器[1]。主體部分包含預(yù)荷電集塵單元、催化凈化單元和負(fù)離子發(fā)生單元及消毒滅菌單元，輔助部分包括感測單元、中央控制單元。其中感測單元可實時監(jiān)測所處環(huán)境中的有害氣體成分含量，并將監(jiān)測結(jié)果上傳到中央控制單元。中央控制單元將根據(jù)不同的污染情況自動控制電路，向主體部分提供相應(yīng)的等離子體。該凈化器的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

3 非平衡等離子體技術(shù)應(yīng)用研究

3.1 非平衡等離子體消除有機(jī)氣態(tài)污染物的研究

對揮發(fā)有機(jī)污染物的脫除，目前的研究主要集中在對烴、芳香烴系列和鹵代烴或氟里昂化合物的研究。

梁文俊、李堅等人[2]通過實驗發(fā)現(xiàn)低溫等離子體法去除苯和甲苯的機(jī)理是放電反應(yīng)產(chǎn)生的高能電子與苯和甲苯分子發(fā)生非彈性碰撞并將能量全部或部分傳遞給目標(biāo)分子，使其裂解、激化。最后得到如圖 2，圖3所示分別為電場強(qiáng)度、氣體流速與苯去除率的關(guān)系。從圖 2，圖 3中可以看出，苯和甲苯的去除率隨著電場強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，隨著氣體流速的增大而減小。

日本的江見準(zhǔn)等人利用電暈放電去除香煙煙霧進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果空氣氛圍的電暈放電使乙醛氧化，其中大部分被氧化為CO2，只有百分之幾的乙醛被氧化為醋酸，這說明用電暈放電處理空氣中的乙醛是有效的。

3.2 非平衡等離子體消除污染物的反應(yīng)機(jī)理研究

目前反應(yīng)裝置和反應(yīng)動力學(xué)方程的設(shè)計也成為一個研究熱點，因為設(shè)計出適合所有VOCs反應(yīng)的反應(yīng)裝置和它們的動力學(xué)方程對于提高污染物凈化效率具有重要意義。

Erwin H.W.，M.Smulders等人[3]在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上，提出反應(yīng)速率常數(shù)的表達(dá)式。這種理論在一個穩(wěn)定的放電功率的作用下是正確的，但是在不同的放電功率下是有缺陷的。為此，Young Sun Mok等人，同時考慮到VOCs的濃度和放電功率所得出的反應(yīng)速率，提出了新的反應(yīng)速率常數(shù)表達(dá)式:

其中，Pw為平均放電功率;Q為氣體流量;CAo為反應(yīng)器進(jìn)口的濃度;CAL為反應(yīng)器出口的濃度;Pw/Q為能量密度。其中VOCs的濃度已經(jīng)確定，由式子可以看出隨著放電功率的升高和流速的降低，VOCs的凈化率增高。

3.3 非平衡等離子體消除污染物的反應(yīng)裝置研究

目前等離子體發(fā)生器也是本領(lǐng)域的一個熱門方向，因為發(fā)生器的好壞關(guān)系到污染物凈化效率的高低。

原乃武，榮命哲，曾征等人[4]研制了數(shù)字觸發(fā)式電源，見圖 4。

最后得到了供電電壓與放電電壓的關(guān)系。放電電壓的最小值Umin隨輸入電壓的改變而變化不明顯。放電電壓的最大值Umax隨輸入電壓的增大而增大。

開發(fā)的這兩種低溫非平衡等離子體發(fā)生器，成本低，體積小，有利于低溫非平衡等離子體凈化空氣技術(shù)的推廣。

4 展望

目前采用的室內(nèi)空氣污染的凈化方法有通風(fēng)換氣式、過濾式和吸附式等。上面幾種空氣凈化方式都沒有從根本上消除污染物，只是從一個地方轉(zhuǎn)移到另一個地方。相比非平衡等離子體技術(shù)在室內(nèi)污染物的治理上有著這些方法所無可比擬的優(yōu)點。但目前這種方法在很多方面還需要進(jìn)一步深入研究。通過對目前非平衡等離子體技術(shù)研究的分析和理解，認(rèn)為以后主要應(yīng)該從下面3個方面進(jìn)行深入研究:

1)優(yōu)化低溫等離子體源與反應(yīng)器配置，進(jìn)一步降低能耗，提高有害氣體脫除率，提高等離子體反應(yīng)器長時間運(yùn)行操作的穩(wěn)定性。還需要在大功率窄脈沖高壓電源的研究、脈沖放電等離子體反應(yīng)器及其優(yōu)化設(shè)計、脈沖電源與反應(yīng)器的匹配技術(shù)方面進(jìn)行研究。2)目前室內(nèi)的污染物種類比較多，每一種的濃度并不高，但是多種污染物聯(lián)合作用下，會對人體產(chǎn)生較大危害。因此應(yīng)該在以后加強(qiáng)非平衡等離子體對低濃度污染物尤其是各種低濃度污染物聯(lián)合作用時凈化問題的研究。3)深入研究低溫等離子體綜合去除多種有害氣體時的副產(chǎn)物以及中間產(chǎn)物對反應(yīng)的不利影響，深化反應(yīng)機(jī)理的研究，解決最終反應(yīng)產(chǎn)物分布及臭氧排放的難題。

[1] 楊 武，榮命哲.低溫等離子體空氣凈化原理及應(yīng)用[J].電子電工雜志，2000(3):32.

[2] 梁文俊，李 堅.低溫等離子體法去除苯和甲苯廢氣性能研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2005，6(5):54-55.

[3] H W Eriwin，M Smu lders.Pulsed power corona discharges for air pollution control[J].IEEE Trans.Plasma Sci，1998，26(5): 1476-1483.

[4] 原乃武，榮命哲，曾 征.室內(nèi)空氣凈化用高壓窄脈沖電源的研究[J].高壓電器，2003，39(2):11-12.