趙 強

（泰安市環(huán)保局，山東 泰安 271000）

等離子體技術(shù)在大氣污染治理中的作用

趙 強

（泰安市環(huán)保局，山東 泰安 271000）

在工業(yè)技術(shù)快速發(fā)展的趨勢下，工業(yè)生產(chǎn)中排行的廢氣種類及數(shù)量不斷上升，而傳統(tǒng)的化學(xué)-物理治理方法已經(jīng)無法滿足處理的需要，等離子體技術(shù)應(yīng)運而生。作為一種全新的技術(shù)，它具有適用范圍廣、無二次污染、能耗低、效率高等特點，在大氣污染治理中，能夠加快化學(xué)反應(yīng)速率，徹底分解污染物，達到良好的治理效果。本文就對等離子體技術(shù)在大氣污染治理中的作用進行分析，說明該技術(shù)在大氣污染治理中具有廣闊的應(yīng)用前景。

等離子體技術(shù)；大氣污染；治理

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)發(fā)展的速度明顯加快，人們越來越重視環(huán)境問題，但社會活動的增加和對環(huán)境的忽視導(dǎo)致環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴(yán)重，大氣污染狀況持續(xù)惡化，其已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的環(huán)境問題[1]。傳統(tǒng)的大氣凈化方法處理效低下，已經(jīng)無法滿足實際的要求，因此需要探索全新的大氣污染治理技術(shù)，如等離子體技術(shù)等，從而為人們營造健康、舒適的環(huán)境，促進社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

1 等離子體技術(shù)概述

等離子體主要由大量中性粒子和正負帶電粒子構(gòu)成，被激發(fā)的電離氣體是達到一定電離度的導(dǎo)電性流體，每一帶電粒子的運動都會對周圍的帶電粒子產(chǎn)生影響或造成約束，表現(xiàn)為集體行為的準(zhǔn)中性非凝聚系統(tǒng)，與氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)并列，是物質(zhì)存在的一種基本形態(tài)。等離子體有多種分類方法，按照離子溫度和電子溫度是否達到平衡，等離子體可以分為完全熱力學(xué)平衡等離子體、局域熱力學(xué)平衡等離子體、非熱力學(xué)平衡等離子體。當(dāng)?shù)入x子體處于完全熱力學(xué)平衡狀態(tài)時，電子溫度與中性粒子溫度、離子溫度相等，溫度多維持在5×103K以上；局域熱力學(xué)平衡等離子體，是指局部處于熱力學(xué)平衡的等離子體；而當(dāng)?shù)入x子體處于非熱力學(xué)平衡狀態(tài)時，電子溫度高達1×104K，但是中性粒子和離子的溫度相對較低，只有300～500 K。按照系統(tǒng)溫度的不同，等離子體又可分為高溫等離子體和低溫等離子體。

對于等離子技術(shù)來說，其應(yīng)用會因特點的不同而有所不同，例如，高溫等離子體是以等離子體的物理特性為依據(jù)而形成的，但低溫等離子技術(shù)則是借助高能電子參與形成的化學(xué)與物理反應(yīng)過程，解決普通氣體、高溫等離子體無法完成的問題[2]。通常廢氣中污染物含有較低的濃度，利用低溫等離子體技術(shù)進行廢氣處理，不僅能實現(xiàn)污染物治理的目的，又能達到節(jié)能的目的，因此大氣污染治理中多運用低溫等離子體技術(shù)。

等離子體技術(shù)在大氣污染治理中的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)80年代，當(dāng)前該技術(shù)在處理“三廢”方面的研究獲得了良好的成效，但其具體研究尚處于初級階段，無法大規(guī)模應(yīng)用。對于等離子體而言，其空間富集的離子、電子、自由基、分子等，都屬于極為活潑的反應(yīng)性物種，如氫等離子體中富集了高活性的原子氫；此外，有機物、水、氧氣等也可組成各自不同的等離子體，繼而構(gòu)成不同的高活性物種。

一般情況下，利用等離子體治理有害氣體，通過放電而形成的高能電子往往起著決定性作用，而離子熱運動只發(fā)揮輔助性的功效；在常壓情況下，氣體通過放電而形成的電子溫度明顯高于氣體的溫度，利用這一特性治理有害氣體，能夠?qū)崿F(xiàn)極為重要的能量價值。氣體的分子或原子與高能電子發(fā)生非彈性的碰撞之后，產(chǎn)生的能量能夠轉(zhuǎn)為基態(tài)分子的內(nèi)能，從而發(fā)生激發(fā)、電離、離解等過程，使氣體始終處于活性的狀態(tài)，產(chǎn)生大量的強氧化性基團，如O3、活性基團，或者是生成由單一氣體原子構(gòu)成的固體微粒和單原子分子、單質(zhì)原子[3]?？傊蒓3和自由基等構(gòu)成的活性粒子所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，能夠有效轉(zhuǎn)化廢氣中的有害物質(zhì)，使其變?yōu)闊o害物質(zhì)，減輕環(huán)境污染。

2 等離子體技術(shù)在大氣污染治理中的作用

2.1 脫除氮氧化物

大氣污染物中最受關(guān)注的成分就是NO和NO2，其中NO2易溶于水，但NO的水溶性差，而排到大氣中的95%以上是NO。因此，NO的氧化是氮氧化物控制的關(guān)鍵。采用低溫等離子體技術(shù)將NO氧化成NO2，第二階段吸收NO2，這樣NOX去除率可保持在95%～99%。

2.1.1 氧化還原與電控結(jié)合法

該方法主要是結(jié)合還原催化技術(shù)和電控技術(shù)、電噴技術(shù)和三元催化轉(zhuǎn)化器，旨在去除汽車尾氣中的NOX。一般使用的三元催化轉(zhuǎn)化器是在蜂窩狀陶瓷載體中負載催化元素銠、鉑、鈀等貴金屬，制成有著不銹鋼外殼的罐狀物，將其裝設(shè)在車輛的排氣管上。這樣車輛排放尾氣時，由于載體的表面積較大，利用三元催化轉(zhuǎn)化器將尾氣中的NOX氧化為H2O、N2等低害或無害物質(zhì)。

2.1.2 與催化活化協(xié)同脫除法

NOX脫除的理想路徑就是不需使用還原劑直接分解NOX，使其轉(zhuǎn)化為O2和N2。這可以分為三個方向：（1）電化學(xué)技術(shù)：以金屬氧化物涂覆的金屬電極對為基礎(chǔ)，施加5 mV的直流電壓，以便NO在陰極分解為O2和N2。這一方法尚處于探索的階段，達到的分解活性水平不高。（2）催化分解技術(shù)：當(dāng)前經(jīng)過第二金屬組分改性的催化劑或Cu-ZSM-5系統(tǒng)催化劑，在富氧前提下無法保持穩(wěn)定的分解活性[4]。（3）催化技術(shù)與等離子體技術(shù)相結(jié)合：將催化劑和等離子進行協(xié)同，可以使NO的分解率達到99%，但這樣的方式具有較高的能耗；溫度超過573℃時，催化與等離子體協(xié)同作用下可能會讓O2和N2轉(zhuǎn)化為濃度較高的氮氧化物，因此需要在低溫下進行空氣中污染物的脫除工作。

2.1.3 氧化兼催化還原法

按照等離子體氧化兼催化還原法，NOX可分為兩個低溫等離子體，在碳氫化合物和氧存在的前提下，其可以將汽車尾氣中NO氧化為NO2；然后在催化還原過程中，激活和氧化等離子體中含有碳氫化合物的混合體系與NO2中間體，通過催化作用來選擇性還原H2O、CO2、N2、NO2等。

2.2 脫硫

當(dāng)前大規(guī)模商業(yè)化使用的脫硫方式就是燃燒后煙氣脫硫技術(shù)，這也是控制酸雨和SO2污染的重要技術(shù)。

2.2.1 氧化兼非催化還原法

該方法是指以還原劑為基礎(chǔ)，利用等離子體的放電反應(yīng)來去除尾氣中的有害氣體，在此基礎(chǔ)上借助反應(yīng)器的電機結(jié)構(gòu)，在電極尖端會出現(xiàn)局部間歇性的放大電場，這樣反應(yīng)器中的尾氣會與還原劑進行反復(fù)的接觸，然后還原去除。

2.2.2 脈沖電暈法

脈沖電暈等離子體的電子溫度可達數(shù)萬度，能在低溫和常溫保持適中的能量，脫除硫氧化合物，該技術(shù)也是處理脫除SO2的研究熱點。通常情況下，將脈沖電暈和氨協(xié)同，有利于提高SO2脫除率，這是因為脈沖電暈放電形成的氣體只對SO2產(chǎn)生作用，使SO2的脫除率達9%～15%，協(xié)同作用下則達90%。

2.2.3 電子束照射法

該方法主要是以電子加速器為基礎(chǔ)，產(chǎn)生高能電子束，然后借助輻照煙氣形成活性物質(zhì)，使分子之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；接著讓進入噴霧冷卻塔的靜電除塵煙氣所噴射的冷卻水在蒸發(fā)氣化的基礎(chǔ)上，使煙氣冷卻與飽和溫度相接近，然后進入反應(yīng)器產(chǎn)生高能電子照射，繼而產(chǎn)生大量原子、自由基、離子等，將NOX氧化成硝酸。另外，反應(yīng)器中的霧狀液態(tài)氨與硝酸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后生成硝酸銨的粉狀粒子，通過靜電除塵的方式捕集產(chǎn)品微粒，讓凈化后的煙氣排向大氣[6]。總之，此方法不會產(chǎn)生廢水與廢渣，脫硫率可達90%，副產(chǎn)物也可作為農(nóng)肥加以使用，但這一方法需要龐大的放射線防護裝置和電子槍，而這些設(shè)備的價格相對昂貴，電能消耗高且維護工作量大。

2.3 降解揮發(fā)性有機化合物

揮發(fā)性有機化合物的毒性極強，種類繁多，屬于大氣污染物之一，會直接危害到人體與其他生物體，破壞臭氧層，導(dǎo)致溫室效應(yīng)的出現(xiàn)。近些年研究的特點就是利用等離子體技術(shù)降解有機污染物，如在常壓下借助低溫等離子體去除揮發(fā)性有機物，降解H2O和CO2等，這也是處理大流量、高流速、低濃度揮發(fā)性有機廢氣的有效方式[7]。通過實驗研究消除靜電后飛灰中的揮發(fā)性有機物變化，即將脈沖電壓加在不均勻的電擊系統(tǒng)中，讓離子變?yōu)榻^緣體的空氣，以便形成的粒子通過自由運動，進入到較小場強的電極，從而實現(xiàn)電荷的遷移過程，即VOC離子化。通常情況下，針尖處具有較高的場強，存在許多高溫且高速的電子，可以解決針尖附件的VOC分子，進一步轉(zhuǎn)化與分解飛灰中的有機毒害物質(zhì)。

2.4 去除其他有機化合物

全氟化碳在大氣壓的長時間作用下會吸收具有惰性、無腐蝕性、紅外輻射的氣體，多在制作半導(dǎo)體的過程中產(chǎn)生，若出現(xiàn)泄露則會加快全球氣候的變暖，而使用裝有氮氣的燃燒裝置，可以使SF6、NF3、C2F6的脫除率達到90%。由于CF4缺乏較高的穩(wěn)定性消除率，利用燃燒的形式對PFCS進行處理，往往需要花費較高的成本，極易形成不完全燃燒產(chǎn)物與NOX。非平衡等離子體技術(shù)涉及絕緣體屏蔽放電、微波等離子體、電弧等離子體、表面等離子體等，但該技術(shù)產(chǎn)生的部分副產(chǎn)物有毒且相對復(fù)雜，危害環(huán)境與人體[8]。作為一種高效的脫除PFCS方法，將催化作用與等離子技術(shù)相結(jié)合，C2F6和CF4的脫除率分別達83%與66%。實驗表明，在室溫和常壓的前提下提高頻率、增加電壓，或者采用超過7 kV的電壓，都有利于脫除CF4，并且電壓上升到9～12 kV時的脫除率增加6%～33%。

3 結(jié)語

等離子體技術(shù)作為一種新型高效的技術(shù)，具有無二次污染、適用范圍廣、治理效率高、運行和投資費用低等優(yōu)點，在大氣污染治理中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。但是由于諸多因素的影響，如長壽命，窄脈沖，大功率的高壓脈沖電源處于研究階段，感應(yīng)器和電源的有效匹配問題尚未解決等，該技術(shù)在現(xiàn)階段的應(yīng)用中還需解決高能耗、放電參數(shù)的控制等問題。隨著這些問題的不斷解決，等離子體技術(shù)將會為污染控制與環(huán)境保護提供強有力的技術(shù)保障。

1 耿雪威.低溫等離子體協(xié)同催化降解甲硫醚的實驗研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2016.

2 戎曉林.熱等離子體技術(shù)在有機廢氣處理工程中的應(yīng)用研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2016.

3 郝碩碩.低溫等離子體處理含汞廢氣的研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2016.

4 黃 智，郭玉芳.低溫等離子體催化技術(shù)推廣方面的難點問題[J].工業(yè)催化，2015，（7）：499-504.

5 曹軍驥，黃 宇.納米光催化技術(shù)在大氣污染治理中的應(yīng)用[J].科技導(dǎo)報，2016，（17）：64-71.

6 車豪杰.基于等離子體技術(shù)凈化有害氣體的研究與應(yīng)用[D].北京：北京郵電大學(xué)，2015.

7 王愛華.等離子體協(xié)同催化技術(shù)處理揮發(fā)性有機物的研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2015.

8 曹春梅.非平衡等離子體脫除NO的數(shù)值模擬研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2012.

The Role of Plasma Technology in Air Pollution Control

Zhao Qiang
(Tai'an Municipal Environmental Protection Bureau, Tai'an 271000, China)

With the rapid development of industry and technology trends, and the number of types of waste gas ranking rise in industrial production, and the traditional methods of chemical and physical treatment has been unable to meet the need of treatment, plasma technology. As a new technology, it has wide application range, no two pollution, low energy consumption,high efficiency, in air pollution control, can accelerate the rate of chemical reaction, complete decomposition of pollutants, to achieve good governance effect. This paper analyzes the role of plasma technology in air pollution control, and shows that this technology has broad application prospects in air pollution control.

plasma technology; air pollution; control

X51

A

1008-9500(2017)09-0113-03

2017-07-16

趙強（1974-），男，山東泰安人，工程師，研究方向：大氣污染。