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低温等离子体技术与应用、未来研究进展趋势

发布时间:2019-11-01 点击次数:486

低温等离子体技术与应用、未来研究进展趋势
一、低温等离子体的概念
目前对低温等离子体(cold plasma) 的定义还不甚明确, 普遍认为低温等离子体是物质存在的第4种状态,又称为非热力学平衡状态等离子体,由大量正负带电粒子和中性粒子组成,其中电子温度(Te)>离子温度(Ti),电子温度可达104K以上,而其离子和中性粒子的温度却可低至300~500K(2)。一般气体放电产生等离子体属于低温等离子体。

二、低温等离子体技术的产生
低温等离子体主要是由气体放电产生的。根据放电产生的机理,气体的压强范围、电源性质以及电极的几何形状、气体放电等离子体主要分为以下几种形式:(1)辉光放电;(2)电晕放电:(3)介质阻挡放电;(4)射频放电;(5)微波放电。由于对诸如气态污染物的治理,一般要求在常压下进行.而能在常压(105P左右)下产生低温等离子体的只有电晕放电和介质阻挡放电两种形式。
2·1辉光放电
辉光放电属于低气压放电(low pressured i-charge) 工作压力一般都低于10mbar, 其构造是在封闭的容器內放置两个平行的电极板,利用电子对中性原子和分子的激发,当粒子由激发态(excited state向基态(e round state转化时会以光的形式释放出能量.由于辉光放电受低气压的限制,工业应用难于连续化生产且应用成本高昂.因而无法广泛地在工业中应用。
2-2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。在大气污染物治理上,电晕放电法多用于烟道气脱硫和脱硝,也有用电晕放电法去除空气中挥发性有机气体、硫化氢、卤代烷烃、以及对印染废水脱色等。
2·3介质阻挡放电
介质阻挡放电产生于两个电极之间,其中至少一个电极上面覆盖有一层电介质。介质阻挡放电是一种兼有辉光放电的大空间均匀放电和电晕放电的高气压运行的特点。由于其电极不直接与放电气体发生接触,从而避免了电极因参与反应而发生的腐蚀问题。又因其具有电子密度高和可在常压下运行的特点,所以介质阻挡放电具有大规模工业应用的可能性,介质阻挡放电还可应用于准分子紫外光源和环境中难降解物质的去除。
2·4射频低温等离子体放电
射频放电的电极通常安装在放电空间的外部,通过感应耦合产生等离子体.产生射频放电心的方式有电容耦合与电感耦合等两种方式.由于射频低温等离子的放电能量高、放电的范围大,现在已经在材料的表面处理和有毒废物清除和裂解中得到应用。
2·5滑动电弧放电
在两电极上施加高压使电极间流动的气体在电极最窄处被击穿.一旦击穿发生电源就以中等电压提供足以产生强力电弧的大电流,电弧在电极的半椭圆形表面上膨胀,不断伸长直到不能维持为止.电弧熄灭后重新起弧,周而复始.其视觉观看滑动电弧放电等离子体就像火焰一般.滑动电弧放电产生的低温等离子体为脉冲喷射,但可以得到比较宽的喷射式低温等离子。

三、低温等离子体的作用机理研究
之一,通过遥感遥测技术获取血吸虫病疫区地面植被信息,为螺情监测和血吸虫病流行病学研究提供了有力的工具〔10)。通过对遥感图像的聚类分析,可以辨别、提取出适宜钉螺孳生的植被区域(11)。将遥感数据以“穗帽变换”植被指数分析后,可以得到钉螺孳生地分布和钉螺空间扩散二个空间模型,并且在遥感图像中可直接正确地测算出钉螺孳生面积数和钉螺扩散潜在面积数(12) 。此外, 对NDVI遥感图像与钉螺分布指数图、温度分布图、高程分布图等资料的的空间分析、重叠分析研究提示,准确、快速地利用遥感资料来预测血吸虫病流行范围和强度具有应用前景〔13)。遥感图像的植被指数分析在我国流行病学领域的应用虽然还处在起步阶段,但我们相信,随着各项研究的深入开展,植被指数在流行病学研究中的应用前景将是十分广阔的。
目前对低温等离子体的作用机理研究认为是粒子非弹性碰撞的结果(4)。低温等离子体内部富含电子、离子、自由基和激发态分子,其中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、离解和电离等一系列过程,使气体处于活化状态。一方面打开了气体分子键,生成一些单原子分子和固体微粒,另一方面,又产生OH、H2O2等自由基和氧化性极强的03,在这一过程中高能电子起决定性作用,离子的热运动只有负作用(5)。常压下.气体放电产生的高度非平衡等离子体中电子温度(数万度)远高于气体温度(室温100℃左右)。在非平衡等离子体中可能发生各种类型的化学反应,主要决定于电子的平均能量、电子密度、气体温度、有害气体分子浓度和共存的其它气体成分。这为一些需要很大活化能的反应如大气中难降解污染的去除提供了理想途径。另外也可以对低浓度、高流速、大风量的含挥发性有机污染物和含硫类污染物等工业废气进行处理。

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