低温等离子体技术在洗消中的研究进展

陈棫端，王利敏，郭翠英，于开录

（中国船舶重工集团公司 第七一八研究所，河北 邯郸 056027）

随着核生化技术的不断扩散，核生化武器被使用的可能性越来越大，舰艇一旦遭受核生化武器的攻击，就会对人员的身体健康和生命安全造成危害，使作战设备及作战环境受到污染，严重影响舰船的生命力和战斗力。洗消装备是实施舰船核生化防护的重要保障器材，当核生化沾染无法避免时，必须对人员、船体和装备进行洗消，以减少或消除核生化武器袭击造成的危害。洗消装备的主要作用是：消除放射性沾染、消除生物污染（灭菌）和消除化学污染（消毒）。传统洗消过程中需要使用水基洗消剂和强氧化性溶液的洗消剂，不适于敏感装备和电子信息装备，为适应信息时代的洗消保障要求，必须拓展现有的洗消方法。低温等离子体技术作为一项新型的环境治理技术，具有非水、无二次污染、对被洗消对象无破坏性等优点，有望成为新一代的洗消装备。

1 等离子体概述

等离子体是一种处于高度激发状态的不稳定气体，它由大量的电子、离子、中性原子、激发态原子、光子和自由基等组成，正、负电荷数相等，整体表现出电中性，它被称作除固态、液态和气态之外的第4种物质存在形态。等离子体通常可以分为高温等离子体（热核聚变等离子体）和低温等离子体[1]。根据电子与离子、中性粒子的热平衡状态，低温等离子体还可以再分为平衡态等离子体（也称热等离子体）与非平衡态等离子体（也称冷等离子体）。低温冷等离子体各种粒子温度并不相同，电子的温度远远大于离子的温度，系统处于热力学非平衡状态，宏观上体系温度较低。低温等离子体主要是由气体放电产生的，放电方式可分为辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电及微波放电等。低温等离子体内部的活性粒子具有很高的化学活性和动能，可以与化学毒剂、细菌以及放射性物质迅速发生作用，实施核化生洗消。

2 机理研究

2.1 消除放射性沾染机理

低温等离子体用于放射性消除的主要机理是通过加入少量添加剂，在等离子体中产生大量的活性物质，高反应活性的等离子体与放射性物质迅速发生化学反应，生成易清除的固体粉末或易挥发性物质，即固化和气化作用，可将不易转移的放射性元素通过化学反应而实现快速、安全转移[2]。

2.2 消除生物污染（灭菌）机理

国内外学者从物理、化学等方面对杀菌消毒机理进行探索，主要归纳为以下3种[3]：等离子体形成过程中产生的大量紫外线直接破坏微生物的基因物质；紫外光子固有的光解作用打破微生物分子的化学键，最后生成挥发性的化合物如CO、CHx；通过等离子体的蚀刻作用，即等离子体中活性物质与微生物体内的蛋白质和核酸发生化学反应，能够摧毁微生物和扰乱微生物的生存功能。

2.3 消除化学污染（消毒）机理

低温等离子体中存在很多电子、离子、活性基和激发态分子等有极高化学活性的粒子，使很多需要很高活化能的化学反应能够发生，使常规方法难以去除的化学污染物得以转化或分解。数万度的高能电子轰击化学污染物分子，与化学污染物分子发生非弹性碰撞，将能量转换成基态分子的内能，发生激发、离解、电离等一系列过程，使有毒有害物质转变成无毒无害或低毒低害的物质，从而达到消除化学污染的目的。

3 低温等离子体的发生装置

3.1 常压等离子体喷射器（APPJ）

1997年11月美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室采用射频技术成功实现在常压下气体的等离子体大面积放电，称为APPJ（常压等离子体喷射器）技术[4]。该技术在美国立即受到工业界的高度关注，并被立即应用与工业清洗、生化武器污染的清洗、杀毒灭菌、刻蚀放射性材料等领域。

常压等离子体喷射器包括射频电源（13.56MHz）、供气源、电极、等离子体放电区间和喷口等，如图1所示。

图1 射频常压等离子体喷射器的示意图Fig.1 Schematic diagram of atmospheric RF plasma jet

常压等离子体喷射器由一个圆柱体的金属射频电极和圆筒状的金属地电极构成，在圆柱体电极和圆筒地电极之间有一个圆筒状的放电缝隙，在电极的一端用绝缘材料密封，另一端设有一个喷口，工作气体在电极之间的缝隙间高速流动，射频功率源加速自由电子，使自由电子获得较高的能量。这些高能电子与工作气体发生非弹性碰撞，产生大量的高能电子、原子氧、亚稳态氧等活性等离子体流。在压力推动下，等离子体从喷口高速喷出，撞击到受污染的表面，与受污染表面的核生化战剂快速反应而达到洗消目的。

王守国采用APPJ技术，在输入功率为50W，Ar流量为 15L·min-1，N2流量为 100mL·min-1条件下，等离子体束流可以直接喷射到人体上对皮肤进行消毒[5]，见图 2。

图2 常压低温等离子体对皮肤进行消毒Fig.2 Atmospheric low temperature sterilization for skins

Herrmann等人在美国Dugway陆军试验场和Edgewood生化中心进行了实毒试验，研究结果表明APPJ可以对表面沾染的芥子气、梭曼、V x等化学毒剂实施有效洗消。并且通过冷却电极，可以使等离子体在75℃下仍能获得较好的洗消效果，从而使对敏感设备和人员的洗消也成为可能[6]。Herrmann等人采用APPJ对炭疽模拟剂杆状菌孢子进行灭菌研究，发现在4.5s内即可杀死距离喷口0.5cm处的杆状菌孢子[7]。Sharma等人用射频常压等离子体对大肠杆菌样本进行处理，发现在2s内大肠杆菌样本浓度降低了5个量级[8]。韩国首尔国立大学核等离子体实验室的Yong-Hwan Kim等人采用大气压喷射等离子体源对涂有钴氧化物的金属表面进行消除研究，在He等离子体中加入少量CF4和O2作为钴的羰基化和氟化添加剂，探索了射频功率、处理时问和CF4/O2气体流量比对消除效果的影响，结果表明，处理l0min即可获得95%的消除率[9]。

3.2 介质阻挡放电（DBD）

1985年，Siemens发明了介质阻挡放电（DBD），介质阻挡放电是在放电空间插入绝缘介质的一种气体放电。当在放电电极上施加一定频率（50Hz～500kHz）的足够高的交流电压时，电极间的气体就会被击穿而形成低温等离子体[10]。介质阻挡放电能够在大气压下产生大体积、高能量密度的低温等离子体。介质阻挡放电装置可以设计成各种各样，电极形状有平板式和圆筒式两种；从介质的数量看，有单层介质和双层介质两种；介质位置可以覆盖在电极上，也可以悬挂在放电空间里,如图3所示。

图3 介质阻挡放电装置示意图Fig.3 Schematic diagram of DBD plasma

Laroussi利用常压介质阻挡辉光放电对细菌细胞进行处理，发现在不到10min的时间内，每毫升气体中有106个细胞发生了变化[11]。美国Tennessee大学ROTH领导的研究小组采用DBD产生的常压辉光等离子体（OAUGDP）进行了大量灭菌研究，结果表明在25s内大肠杆菌存活率下降5个量级[12]。

3.3 电晕放电

电晕放电是使用曲率半径很小的电极，如针状电极或细线状电极，并在电极上加高电压。由于电极的曲率半径很小，而靠近电极区域的电场特别强，电子逸出阳极，发生非均匀放电，称为电晕放电[13]。电晕放电装置是由电源、针状电极板和平板电极所组成，如图4所示。

图4 电晕放电装置示意图Fig.4 Schematic diagram of corona discharge plasma

当针状电极与电源的负极相连，而平板电极与电源正极相连时，射向样品的是以电子流为主，我们称它为负电晕。反之则以正离子流为主，我们称它为正电晕。

闫学锋等采用脉冲电晕放电反应器对芥子气模拟剂2-氯乙基乙基硫醚（2-chloroethylethylsulfide，CEES）进行了降解研究，结果表明在气体流量为1100mL·min-1的条件下,含硫毒剂模拟剂CEES残余浓度低于 4mg·m-3，洗消率达 99.6%[14]。

4 展望

低温等离子体技术在环境治理、医疗卫生、材料表面处理等多个领域，已显示出了很高的社会效益和经济效益。该技术在大面积地域、敏感设备、皮肤和个人装备等洗消领域，具有广阔的发展前景，也取得了一定的研究成果，但要转化为洗消装备，还有很多内容有待完善。今后的研究方向有：（1）进一步深入研究低温等离子体的消毒、灭菌和消除放射性沾染机理，为后续研究提供可靠的理论依据；（2）通过研究各种不同放电方式下的低温等离子体洗消效率，选取适合的低温等离子体洗消工艺；（3）结合其他洗消技术，研究低温等离子体技术与其他洗消技术的联合使用，通过优势互补，更好地解决洗消中出现的各类问题。

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