低温等离子体在废气处理中的应用

杨付辉

摘要：为了提高居民生活环境质量、杜绝空气污染隐患，异味恶臭源的控制处理已成为目前一些地区亟待解决的环境问题。文章对低温等离子体在废气处理中的应用进行了讨论。

关键词：低温等离子体；废气处理；应用

等离子体化学是涉及高能物理、放电物理、放电化学、反应工程学、高压脉冲技术等领域的一门交叉学科。将等离子体用于处理各类污染物成为国内外研究的热门之一。与其他污染治理技术相比，等离子体法具有处理流程短、效率高、能耗低、适用范围广等特点。等离子体既可用于处理废气又可用于处理废水、固体废物、污泥、甚至放射性废物。

一、低温等离子体分解气态污染物的机理

采用低温等离子体分解气体污染物时，等离子体中的高能电子起决定性的作用。数万度的高能电子与气体分子（原子）发生非弹性碰撞，将能量转换成基态分子（原子）的内能，发生激发、离解、电离等一系列过程使气体处于活化状态。电子能量较低（<10ev）时，产生活性自由基，活化后的污染物分子经过等离子体定向链化学反应后被脱除。当电子平均能量超过污染物分子化学键结合能时，分子键断裂，污染物分解。在低温等离子体中，可能发生各种类型的化学反应，这主要取决于电子的平均能量、电子密度、气体温度、污染物气体分子浓度及共存的气体成分。

二、常用的废气处理技术

目前国内外用于处理异味恶臭的废气有多种技术，其中常用的技术为燃烧法、氧化法、吸收法、吸附法、生物法、光催化法、等离子体法等。其中吸收法的净化效率不高，消耗吸收剂，易形成二次污染；低温等离子体法的适用范围广、净化效率高，尤其适用于其它方法难以处理的多组分异味恶臭气体，但一次性投资较高；吸附法的吸附剂费用昂贵，再生较困难，要求待处理的异味恶臭气体有较低的温度和含尘量；生物法的占地面积大，填料需定期更换，脱臭过程不易控制，运行一段时间后容易出现问题，对疏水性和難生物降解的物质处理还存在较大难度。

三、DDBD低温等离子体技术

DDBD低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态。低温等离子体降解污染物是利用高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到降解污染物的目的。

1、DDBD低温等离子体去除污染物的机理

介质阻挡放电是一种获得高气压下低温等离子体的放电方法，这种放电产生于两个电极之间。介质阻挡放电可以在0.1×105～10×105Pa下进行，具有辉光放电的大空间均匀放电和电晕放电的高气压运行等特点。整个放电过程由许多在空间和时间上随机分布的微放电构成，这些微放电的持续时间很短，一般在10ns量级。见图1所示。

介质阻挡放电过程中，电子从电场中获得能量，通过碰撞将能量转化为污染物分子的内能或动能，这些获得能量的分子被激发或发生电离形成活性基团，同时空气中的氧气和水分在高能电子的作用下也产生大量的新生态氢、臭氧和羟基氧等活性基团，这些活性基团相互碰撞后便引发了一系列复杂的物理、化学反应。从低温等离子体的活性基团组成可以看出，低温等离子体内部富含极高化学活性的粒子，如电子、离子、自由基和激发态分子等。废气中的污染物质与这些具有较高能量的活性基团发生反应，最终转化为无二次污染的CO2和H2O等物质，从而达到净化废气的目的。

低温等离子体化学反应的过程大致如下：

从上述反应过程可以看出，电子先从电场获得能量，通过激发或电离将能量转移到污染物分子中去，获得能量的污染物分子被激发，部分分子被电离，从而成为活性基团。然后这些活性基团与氧气、活性基团与活性基团之间相互碰撞后生成稳定产物和热。另外，高能电子也能被卤素和氧气等电子亲和力较强的物质俘获，成为负离子。这类负离子具有很好的化学活性，在化学反应中起着重要的作用。

2、DDBD低温等离子体技术的特点

低温等离子体裂解氧化废气处理技术具有能耗低（处理相同气量的废气能耗降低2/3）、处理废气量大、无需对发生管进行冲洗等优点。低温等离子体技术应用于异味恶臭气体治理，处理效果好（几乎可以处理目前常见的各种异味恶臭气体）；运行费用低廉（每立方米气量运行费用仅为1～5分）；运行稳定、操作管理简便，即开即用。该技术可广泛应用于石油化工、制药、食品、污水处理、涂料、皮革加工、感光材料、汽车制造、稀土等诸多行业有机废气的治理以及采用其它方法很难解决的废气的治理。

四、案例分析

1、项目概况

山东某制药有限公司污水站异味气体主要来源于特高调节池、兼氧池等工艺段散发的异味气体，主要污染因子包括：硫化氢、亚硫酸、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、氨以及吲哚、有机酸等其它有机废气，总废气量为3500m3/h。

2、废气处理工艺介绍

对比目前的废气处理方法，针对废气中污染物的特性，考虑处理效果及工程投资的前提，确定该废气工程适合选择“低温等离子体裂解氧化废气处理工艺”。废气首先进行溶剂吸收，再经现有的预处理系统处理，预处理后的气体通过气体分配器均布后进入低温等离子体反应器，以使每个低温等离子体反应管中通过的气体量大致相等，同时也使来自不同工段的废气进行充分混合，达到均质目的（见图2）。

3、废气处理前后对比

低温等离子体氧化反应器正常运行后，由第三方PONY谱尼测试集团废气检测，检测参照相关标准中规定的标准值。处理后废气中污染物的成分见表2。

表2低温等离子处理前后废气成分对照表

4、处理效果及费用

采用“DDBD低温等离子体技术+催化氧化技术”工艺处理该项目废气，异味去除率>99%。处理废气量3500m3/h，电耗0.003kW/Nm3，即处理1m3废气的费用仅为0.013元。