非平衡等离子体在室内空气净化中的应用

张 宏 黄玉良 蔡亮亮

室内空气污染现象广泛存在于各类居室、学校、医院、办公室等场所。室内空气的污染源大致有以下几个:燃烧，人为活动，建筑材料，室外污染物以及通风空调系统的二次污染。室内空气中通常污染物有:ETS(Environmental Tobacco Smoke)，SPM(S)，SO2，NOx，CO，CO2，VOCs，氨类化合物，灰尘，霉菌，空气微生物，正离子和臭氧、铅、氡等。现代医学研究证明，室内空气污染已经成为人类健康的重大威胁。2001年 5月在华盛顿召开的世界环境大会指出:室内空气污染比室外空气污染更为严重，高出 2倍～3倍以上，其危害性也是室外空气污染的数倍，而且，危害性是长期的、潜在的。因此，必须加强消除室内污染的技术研究，提高室内空气品质，这对于改善人们的居室环境具有重要意义。

1 等离子体分类

等离子体的状态主要取决于它的组成粒子、粒子密度和粒子温度。根据离子温度的差异，等离子体可分为热平衡等离子体，热等离子体和非平衡等离子体或低温等离子体。而非平衡等离子体按产生的方式、压强范围、电极形状可分为五类:1)辉光放电等离子体;2)电晕放电等离子体;3)介质阻挡放电等离子体;4)射频放电等离子体;5)微波放电等离子体。

2 非平衡等离子体空气净化机理及方式

非平衡等离子体技术是一个集物理学、化学、生物学和环境科学于一体的交叉综合性技术。该技术具有费用低、净化效率高等明显优点。

2.1 非平衡等离子体的空气净化机理

非平衡等离子体是使分子活化的有效方法，它能使几乎所有的分子激发、电离和自由基化，产生大量的活性基团。尤其对空气污染物的脱除，可在很短的时间内使其分解甚至完全分解。如表 1所示为非平衡等离子体能量和一些气体分子的键能。

表1 非平衡等离子体能量和一些气体分子的键能

研究表明，等离子体分解空气污染物可通过以下两种途径进行:

1)高能级电子直接作用于污染物分子。

2)高能级电子间接作用于污染物分子。

2.2 应用构想

根据上述非平衡等离子体空气净化原理，可开发出适合室内使用的采用模块式结构的空气净化器[1]。主体部分包含预荷电集尘单元、催化净化单元和负离子发生单元及消毒灭菌单元，辅助部分包括感测单元、中央控制单元。其中感测单元可实时监测所处环境中的有害气体成分含量，并将监测结果上传到中央控制单元。中央控制单元将根据不同的污染情况自动控制电路，向主体部分提供相应的等离子体。该净化器的结构如图 1所示。

3 非平衡等离子体技术应用研究

3.1 非平衡等离子体消除有机气态污染物的研究

对挥发有机污染物的脱除，目前的研究主要集中在对烃、芳香烃系列和卤代烃或氟里昂化合物的研究。

梁文俊、李坚等人[2]通过实验发现低温等离子体法去除苯和甲苯的机理是放电反应产生的高能电子与苯和甲苯分子发生非弹性碰撞并将能量全部或部分传递给目标分子，使其裂解、激化。最后得到如图 2，图3所示分别为电场强度、气体流速与苯去除率的关系。从图 2，图 3中可以看出，苯和甲苯的去除率随着电场强度的增强而增大，随着气体流速的增大而减小。

日本的江见准等人利用电晕放电去除香烟烟雾进行了实验研究。结果空气氛围的电晕放电使乙醛氧化，其中大部分被氧化为CO2，只有百分之几的乙醛被氧化为醋酸，这说明用电晕放电处理空气中的乙醛是有效的。

3.2 非平衡等离子体消除污染物的反应机理研究

目前反应装置和反应动力学方程的设计也成为一个研究热点，因为设计出适合所有VOCs反应的反应装置和它们的动力学方程对于提高污染物净化效率具有重要意义。

Erwin H.W.，M.Smulders等人[3]在一定假设的基础上，提出反应速率常数的表达式。这种理论在一个稳定的放电功率的作用下是正确的，但是在不同的放电功率下是有缺陷的。为此，Young Sun Mok等人，同时考虑到VOCs的浓度和放电功率所得出的反应速率，提出了新的反应速率常数表达式:

其中，Pw为平均放电功率;Q为气体流量;CAo为反应器进口的浓度;CAL为反应器出口的浓度;Pw/Q为能量密度。其中VOCs的浓度已经确定，由式子可以看出随着放电功率的升高和流速的降低，VOCs的净化率增高。

3.3 非平衡等离子体消除污染物的反应装置研究

目前等离子体发生器也是本领域的一个热门方向，因为发生器的好坏关系到污染物净化效率的高低。

原乃武，荣命哲，曾征等人[4]研制了数字触发式电源，见图 4。

最后得到了供电电压与放电电压的关系。放电电压的最小值Umin随输入电压的改变而变化不明显。放电电压的最大值Umax随输入电压的增大而增大。

开发的这两种低温非平衡等离子体发生器，成本低，体积小，有利于低温非平衡等离子体净化空气技术的推广。

4 展望

目前采用的室内空气污染的净化方法有通风换气式、过滤式和吸附式等。上面几种空气净化方式都没有从根本上消除污染物，只是从一个地方转移到另一个地方。相比非平衡等离子体技术在室内污染物的治理上有着这些方法所无可比拟的优点。但目前这种方法在很多方面还需要进一步深入研究。通过对目前非平衡等离子体技术研究的分析和理解，认为以后主要应该从下面3个方面进行深入研究:

1)优化低温等离子体源与反应器配置，进一步降低能耗，提高有害气体脱除率，提高等离子体反应器长时间运行操作的稳定性。还需要在大功率窄脉冲高压电源的研究、脉冲放电等离子体反应器及其优化设计、脉冲电源与反应器的匹配技术方面进行研究。2)目前室内的污染物种类比较多，每一种的浓度并不高，但是多种污染物联合作用下，会对人体产生较大危害。因此应该在以后加强非平衡等离子体对低浓度污染物尤其是各种低浓度污染物联合作用时净化问题的研究。3)深入研究低温等离子体综合去除多种有害气体时的副产物以及中间产物对反应的不利影响，深化反应机理的研究，解决最终反应产物分布及臭氧排放的难题。

[1] 杨 武，荣命哲.低温等离子体空气净化原理及应用[J].电子电工杂志，2000(3):32.

[2] 梁文俊，李 坚.低温等离子体法去除苯和甲苯废气性能研究[J].环境污染治理技术与设备，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，荣命哲，曾 征.室内空气净化用高压窄脉冲电源的研究[J].高压电器，2003，39(2):11-12.