一种用于工业废气处理的气体消毒管的设计

江 超，朱国良

(湖北师范学院 物理与电子科学学院，湖北 黄石，435002)

大量工业废气排入大气，必然使大气环境质量下降，给人体健康带来严重危害，给国民经济造成巨大损失。目前对工业废气进行处理的方法主要有:液体吸收法、活性炭吸附法、催化燃烧法和生物法，这些方法各自都存在一定的缺陷。近年来，出现了利用“等离子体”脱除有机废气的方法，它的基本原理是通过高压辉光放电，获得常温常压等离子体，等离子体中的高能电子和氧离子、氢氧根离子等活性粒子与有机物进行氧化、降解反应，使污染物转变为无害物。等离子体催化降解有机物可在常温常压下进行，真正实现了无害化工艺，废气净化的最终产物为二氧化碳和水，无二次污染。具有结构紧凑、体积小、维护方便、使用寿命长的优点，广泛地应用于橡胶、印染、制药、皮革及污水等行业产生的有机废气、恶臭和异味的处理中。微空心阴极放电MHCD(micro－hollow cathode discharge，MHCD)是一种稳定的高气压辉光放电［1－2］，放电产生高气压非平衡等离子体，利用它产生大体积的高气压非平衡等离子体能够对有毒的有机气体进行消毒，得到清洁干净的气体。

1 新型气体消毒装置的设计

利用微空心阴极放电结构，设计用于污染气体消毒的石英玻璃管结构示意图如图1所示。

图1 气体消毒管的结构示意图

气体消毒管采用“针－板”直流辉光放电，利用放电产生的大体积高气压等离子体进行有毒气体处理。“针－板”直流辉光放电由空心不锈钢针阴极与平板阳极构成，其中平板阳极由溅射很小的钼片构成，厚度5 mm。空心不锈钢针的外径为2 mm，内径为1 mm，针尖角为15°，针尖孔为200 μm。石英玻璃管上下面是平面，放电电极安装在这两个面上，石英玻璃管两侧面是曲面，石英玻璃管根据这种设计方式烧制而成。石英玻璃管内部放置有平板电极和空心不锈钢针电极，平板电极固定在石英玻璃管的上平面上，若干个空心不锈钢针固定在石英玻璃管的下平面上，这些不锈钢针排列成一排，每只不锈钢针之间的间距为5 mm。平板电极与不锈钢针电极之间的距离为20 mm，并使放电等离子体的中心与石英玻璃管的中心轴线相重合为宜，两电极通过导线连接到高压直流电源上。污染气体经过进气管、流量控制阀和进气导管，进入石英玻璃管中，污染气体在玻璃管中处理后，然后从排气导管、排气阀和排气管排出。辅助气体则从空心不锈钢针进入石英玻璃管中，然后也从排气管一起排出。

有毒气体的处理需要用到非平衡等离子体源，高气压辉光放电能够产生典型的非平衡等离子体源。类比气体激光器的“针—板”放电形式，设计了一种特殊的“针—板”放电结构，它由空心不锈钢针和金属平板构成，空心不锈钢针为阴极，金属平板为阳极，构成典型的空心阴极放电。根据空心阴极放电的特性，当阴极孔径降到微米量级时，放电变为微空心阴极放电，放电气压能够达到甚至超过大气压，此时放电为高气压辉光放电，产生的放电等离子体能够满足气体消毒的要求。放电管由多个微空心阴极放电并联运行，产生cm3量级的辉光放电等离子体，电子密度能够达到1014cm－3。在该装置中，气体流动方向与放电方向垂直，为了避免辉光放电向火花放电转变，稳定放电时气体流速必须达到100～200 ms－1的高速或者限制放电电流的大小。如果限制放电电流会影响到等离子体中的电子能量密度分布影响消毒效果。为了避免把放电气体(污染气体)加速到如此高的流速，该装置让少量的辅助气体通过空心针进入石英玻璃管中参与放电，形成两股垂直的放电气流。采用这种形式后，主放电气体的流速可以降低许多，简化了装置的制造难度。该装置在大气压下工作，密封容易。

2 实验结果与讨论

甲烷和苯是两种非常稳定的挥发性有机化合物VOC(Volatile Organic Compounds，VOC)，这两种气体直接排放到空气中将会对环境产生极大的污染。我们必须在工业废气中设法降低这两种气体的含量，消除它们对环境的危害。利用气体消毒管对气体进行消毒的实验系统示意图如图2所示。在该实验中，我们利用图2的装置进行了甲烷与苯混合气体的放电实验，测量了放电特性和消毒效果参数，并对结果进行了讨论。

图2 气体消毒管进行气体处理时气体流动与检测示意图

该装置放电气压为700 Torr、气体流速为8 ms－1时，图3为测得的V－I特性曲线，V为放电的电压，I为放电的总电流。从图中可以发现，V－I特性曲线的微分电阻系数为正，放电为反常辉光放电，最低维持电压为500 V左右。因为电压—电流显示正的斜坡特性，这意味着放电自身扮演一个电阻器的角色，它是一个自稳过程，因此微放电相当稳定。

图3 气体消毒管放电时的伏安特性

在该装置放电气压为700 Torr、气体流速为8 ms－1时，图4、图5分别为测得的苯与甲烷的归一化含量与放电电流的关系曲线(I为放电的总电流)。

图4 苯的归一化含量与放电电流的关系

图5 甲烷的归一化含量与放电电流的关系

当空气与甲烷苯等混合气体通过放电管的放电区域时，苯和甲烷被放电等离子体氧化或被放电等离子体中的高能电子分解与电离成无毒的物质。当混合气体通过气体消毒管后，利用抽样检测装置检测气体中苯和甲烷的浓度，发现苯和甲烷的浓度被极大地降低了，而且随着放电电流的增加，混合气体中苯和甲烷的浓度越来越低，最终苯的归一化浓度只有修复前的10 左右，清除率达到90 ［甲烷的清除率也能够达到70 左右，消毒效果相当好。

3 结束语

设计的气体消毒装置具有独特的优势，它结构简单、操作方便、消毒效果好。它具有巨大的发展潜力，受到了人们的关注，随着研究的不断深入，该装置将会成为一种被人们广泛使用的工业有机废气消毒装置。

［1］ Schoenbach K H，Verhappen R，Tessnow T，et al.Microhollow cathode discharges［J］.Appl.Phys.Lett.1996，68(1):13－15.

［2］ Schoenbach K H，EI－Habachi Ahmed，S Wenhui，et al..High－pressure hollow cathode discharges［J］.Plasma Sources Sci.Technol.1997(6):468–477.