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等离子体的应用介绍及概念体现在哪些方面?

发布时间:2019-05-31 点击次数:241

等离子体技术简介

等离子体是物质的第四态,其来源于气态但又不同于气态,当气态物质升温到一定温度时,原子核外电子便会逃离原有轨道而成为自由电子,而逃离的电子和失去电子的原子核在数量上相等,使得整个体系的正电荷数与负电荷数相等,故称之为等离子体。由此而产生的等离子体的组分有原子、分子、离子、电子、光子、活性组分、激发态的粒子等。

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获得等离子体的方法较多,有热电离、光电离、气体放电、辐射放电、冲击波等,常规产生方法主要有2种,即电晕放电和辉光放电.电晕放电是指在大气压力下,通过在电极间施加高强度电压而产生的弱电流放电,介质通常为空气;而辉光放电则是电场强度更高、气压低于大气压的高频低压放电,介质可以选用不同气体.

等离子体技术中最明显的特点就是等离子体具有一定的化学反应特性。可以以一种不同于其他物质的第四状态存在,电子、正负离子、激发态原子、分子以及自由基等粒子等是组成等离子体的主要成分。在性能上表现为一种准中性非凝聚系统。

学术上对等离子体的分类方式有很多,按照温度来区分,可以分为热力学平衡态和非热力学平衡态等离子等离子体。热力平衡状态的等离子体所处于的环境较高,因此也可以称之为高温等离子体,相应的非热力学平衡状态的等离子体也被称为低温等离子体。

等离子体技术——生物医用材料应用

作为生物医用材料,除了要满足特定功能外,还必须具备生物相容性。生物相容性包括血液相容性和组织相容性两部分。前者表示材料与血液之间相互适应的程度,而后者反映材料与除了血液以外的其他组织之间相互适应的能力。大量实验表明,低温等离子体技术确实能有效地改善生物医用材料的血液相容性和组织相容性。

1、血液相容性

对植入生命体内的材料的一个重要的要求就是它能与血液相容而不会引起血凝结、毒性和免疫反应,这样的材料称为血液相容性材料。材料表面和血液接触后,首先是血浆蛋白立即被吸附到材料表面,然后经过一系列的生物效应,最后导致血小板不可逆的聚集而形成血栓(见下图)。

等离子004.jpg

理想的血液相容性聚合物材料应当没有如下特征:

①聚合物释放一些成分或它的降解产物进入血液,引起血凝结、炎症、致癌和毒性反应;

②聚合物缺乏机械柔韧性,从而引起血流中的湍动,结果会出现血小板活性和炎症反应以及血栓;

③聚合物会引发炎症反应和滞后感染。

血液组分大部分为水,材料的血液相容性很大程度上表现为亲水性。等离子体沉积膜显示出独特的优势。在等离子体作用过程中,发生特定的化学反应形成聚合物膜,其亲水基团(如-OH、-COOH等)往往暴露在外,使得薄膜表现出良好的亲水性。这一性质为膜所固有,不受血液浓度和粘度变化的影响。

2、组织相容性

组织相容性是指机体组织与外来物的相容程度,它包括两方面的含义:一方面是机体对外来物的反应;另一方面是外来物对机体的影响。

体机对外来物具有本能的排异性。任何异物,即使是无毒的高分子材料进入机体,也必然会受到排斥,引起程度不同及持续时间不同的反应。决定高分子材料最终是否能被机体接受的因素,一个是高分子材料自身的化学稳定性,另一个是高分子材料与机体组织的亲和性。

另外,要求材料对基体不会产生不良影响,如引起炎症、过敏、致畸、癌症等反应。组织相容性涉及的对象是组织和细胞。组织相容性高分子的合成设计和血液相容性高分子的要求一样,也是基于疏水性、亲水性、它们的微相分离结构以及表面改性。

目前,国内有不少单位正在利用等离子体表面处理技术积极开展生物医用材料的表面改性及表面膜合成研究,以解决抗凝血、生物相容性、高分子聚合物表面亲水性、抗钙化及细胞吸附生长、抑制等关键技术问题。

低温等离子体表面处理技术以其特有的优点正被许多科学工作者用于生物材料的表面改性及表面膜合成研究。但是这些研究大多处于开发阶段或动物实验阶段,离实用化还有一段路程。

等离子体技术——处理环境工程污水

通常环境工程中处理的废水主要有两种来源,一种是生活污水,另一种是工业废水。前者富含有机物,通常不含有毒性;后者由于工业种类复杂,废水的成分也比较复杂,有一定的毒性和化学物质。废水处理通常使用的是低温等离子体的解除电晕放电和辉光放电两种方式。

1、废水处理方式

电晕放电废水处理难以实现,但是在空气中可以有较大的空间范围进行。通常可以在气水相间的系统中在气中进行点晕放电,形成放电等离子体与水接触的条件。因此使用电晕放电方式的最重要问题就是生成具有与水接触面积较大的带电等离子体。

水膜脉冲放电废水处理过程是通过高压引线在电晕的电极的正负两端形成高压脉冲,在流动的废水之间的气相中进行放电。这种方式对于绝缘水槽的承受高压能力有一定的要求,保证在工作中不会发生击穿现象。这种方式的优点是空间利用率较高,结构简单,缺点是水膜有一定的厚度,对污水的下层处理效果不佳,电源必须形成较高的电极正负脉冲。

水雾电晕废水处理是将税务喷射到电晕电极形成的电场环境中,在超窄高压脉冲的作用下,形成线板极间的电晕放电。这种方式的优点是增大了与水的接触面积,并且混合均匀,可以形成大型的处理装置,提高污水处理效率。缺点是装置过于复杂需要的水流量和放电极板较多,成本较高。

水中气泡废水装置能够将需要处理的废水;流经绝缘板制作的水槽,在水槽的底端通过压缩空气形成无数向上冒出的气泡,将超窄高压脉冲作用于绝缘草两端的正负电极使每个气泡发生发电。这种方式的优点是可以处理大流量的污水,接触面积大,混合均匀。缺点是装置结构复杂,电源的要求较高。

2、处理原理

低温等离子体技术处理环境工程中的污水时,在高能电子辐射法、臭氧氧化法、紫外光分解法等三种方法的共同个作用下,可以取得较好的处理效果。

高能电子作用:

低温等离子体技术在污水处理过程中会产生大量的高能电子,通过与废水中的原子以及分子之间的碰撞作用,将能量转换为基态分子的内能,同时进行激发、离解和电离的一些过程,对废水进行活化处理。

通过对废水中分子键的拆合作用,并通过与游离氧以及臭氧等活性因子之间的反应,形成新的化合物。降低原有污水中的污染物质,最终将有毒物质转变成无毒物质,对污染物进行降解。

臭氧氧化作用:

臭氧作为一种较强的氧化剂,可以在进行污水处理的过程中对拆分后的有害物质进行强力氧化,从而形成一定的中间产物,降低原污水的毒性以及有害物质的含量,并通过一些列的反省,最终将污染物中的有机物质降解成二氧化碳和水。对于无机物质,可以形成一定的氧化物后进行去除。

紫外光分解作用:

在低温等离子体技术的使用过程中,由于放电紫外光可以对一定的有害物质进行单独分解,还可以结合臭氧的共同作用进行有害物质的降解。单独的分解作用主要是有害分子物质通过对光子的吸收,进入激发态,通过吸收能量促使其分子键发生断裂,之后跟水中的游离物质进行再一次的反应,形成新的化合物排出。

紫外光和臭氧的氧化作用同时进行时可以将难以降解的物质进行处理,具有较好的效果。可以对难降解的有机物以及农药进行迅速的分解。

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等离子体技术——垃圾处理

1、等离子体垃圾处理技术的原理

功率的热等离子体内被加热,等离子体炬的温度可以达到3000℃~30000℃,超高温度足以摧毁地球上的任何材料,所以有机可燃的成分在缺氧条件下利用热能,快速升温干燥气化,使化合物的化合键断裂,转化成可燃性气体,热解后不可燃的残留物在高温条件下通过熔融处理转化成渣体,这些渣体可以实现再生利用做成玻璃,也可以成为建筑的原料。

从微观上分析,介质在密闭空间里通过强大电弧的作用,使空气电离产生等离子体,激发出大量的高能电子,高能电子轰击垃圾废弃物,大分子量的垃圾废弃物发生复杂的反应,从而降解成小分子量的H2、CH4和对人体危害较小的物质。

2、等离子体垃圾处理工艺

等离子垃圾处理系统主要包括进料系统、等离子体焚烧处理系统、熔化产物处理系统,烟气处理系统、余热利用系统、冷却密封系统组成。

当垃圾由专门的运输车运送至专门的垃圾处置场,分离出有利用价值的垃圾,将无法回收利用的垃圾投放到密封的上料系统中进行干燥处理。对垃圾进行均匀干燥处理后,在等离子体体主燃室高压、厌氧的条件下充分热解,有机物被分解气化,产生热解气体。

气体进入副燃室,在等离子炬的火焰下裂解,完成离子化,形成小分子量的气体和活性离子,主要是CO、H2、CH4等,经气化炉底部激冷后形成玻璃态的渣体。经过完全燃烧后产生的高温烟气经过烟气净化系统后排到环境中,回收利用高温烟气的余热可以用来发电、城市供暖等。而热解产生的炉渣经过高温熔融处理形成的玻璃化物质,沉积到气化炉底部的渣池中,实现了炉渣的无毒无害化处理。

3、国内外等离子体垃圾处理系统研究现状

随着等离子体技术的不断发展,等离子体设备不断创新,成本也随之降低,许多学者做了大量的科学研究和建模实验,为等离子体垃圾处理系统的商业化运行打下了良好的基础。

国外研究现状:

国外对垃圾处理的等离子体技术主要以直接等离子体气化和常规气化与等离子体整合技术结合为主。

美国西屋等离子体公司采用的方法就是直接等离子体气化,直接将垃圾放在等离子体中,由几个较为完善的子系统组成,分别为垃圾预处理系统、等离子体气化系统、合成气系统和产品处理系统。但是这种方法耗电量大,合成气以CO和H2为主。

加拿大普拉斯科能源公司主要采用的方法就是常规气化与等离子体整合技术结合在一起的技术,垃圾在反应器里先形成精度比较小的合成气,此合成气经过等离子体电弧重整后转变为精度较高的合成气。

目前瑞典、美国、德国、日本等国正逐渐关闭焚化炉转向等离子体废物处理系统,建立了一定规模的城市固体废物的等离子体处理厂。

国内研究现状:

中科院力学研究所对等离子体垃圾处理进行了多方面的研究,包括等离子体反应器内流动特性、玻璃体物理和化学稳定性,并在实验室简历了3t/d处理医疗废物的生产线,并且与企业合作完成2条工业规模处理危险废物的生产线。


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