張霞

【摘 要】等離子體是一種聚集態(tài)物質(zhì)，其所擁有的高能電子同空氣中的分子碰撞時(shí)會(huì)發(fā)生一系列基元物化反應(yīng)，并在反應(yīng)過程中產(chǎn)生多種活性自由基和生態(tài)氧，即臭氧分解而產(chǎn)生的原子氧。等離子體空氣凈化工作過程有三部分預(yù)荷電集塵，催化凈化，負(fù)離子發(fā)生?；诜肿又亟M原理的新一代空氣，凈化器利用等離子技術(shù)，不僅具有對(duì)顆粒污染物的一個(gè)凈化功能，而且對(duì)于氣態(tài)污染物通過破壞分子間的鍵能，有效的分解氣態(tài)污染物，從而達(dá)到空氣凈化作用。

【關(guān)鍵詞】等離子體；空氣凈化；污染物

0.引言

眾所周知，隨著私家車的普及，城市的道路環(huán)境狀況越來(lái)越令人擔(dān)憂，發(fā)動(dòng)的汽車所排出的尾氣中，混雜有氮氧化合物、碳?xì)浠衔?、鉛煙、碳煙等多種有害有毒物質(zhì)。再加上交通路口的頻繁停車、起步和怠速運(yùn)行造成的燃油不完全燃燒，排放的尾氣中的有毒有害物質(zhì)的濃度更高。所以該地段被汽車行駛帶起的塵埃中吸附了大量的鉛粒、碳煙和有毒的化學(xué)物質(zhì)，使長(zhǎng)期工作在上述環(huán)境中的環(huán)衛(wèi)人員、交通警察深受其害。

1.等離子空氣凈化器的工作原理

物質(zhì)的存在狀態(tài)隨著溫度的上升一般會(huì)呈現(xiàn)出固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種物態(tài)的轉(zhuǎn)化過程，我們把這三種基本形態(tài)稱為物質(zhì)的三態(tài)。那么對(duì)于氣態(tài)物質(zhì)，溫度升至幾千度時(shí)，由于物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，相互間的碰撞就會(huì)使氣體分子產(chǎn)生電離，這樣物質(zhì)就變成由自由運(yùn)動(dòng)并相互作用的正離子和電子組成的混合物。我們把物質(zhì)的這種存在狀態(tài)稱為物質(zhì)的第四態(tài)，它與固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)比較有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。等離子體按等離子體焰溫度分為高溫等離子體和低溫等離子體其中，按重粒子溫度水平還可以分為熱等離子體和冷等離子體。非平衡等離子體產(chǎn)生方法主要有低氣壓輝光放電法、電子束照射法、介質(zhì)阻擋放電法和電暈放電法等。

本裝置選擇電暈放電法，作為非平衡態(tài)等離子體處理廢氣技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法中的一種，脈沖電暈放電激發(fā)等離子體化學(xué)反應(yīng)過程，目前被認(rèn)為是去除氣相有害物質(zhì)的很有前途的方法。其基本原理是在室溫、常壓條件下，由前沿陡峭、脈寬窄的脈沖高壓，在電暈線極附近產(chǎn)生激烈的脈沖電暈放電，利用脈沖電暈放電產(chǎn)生的高能電子同廢氣中氣體分子作用而產(chǎn)生豐富的離子和自由基等活性粒子，這些活性粒子再同污染物分子發(fā)生氧化或還原反應(yīng)生成低毒性的無(wú)機(jī)小分子化合物。由于脈沖上升時(shí)間短，只能使電子能量劇烈增加，而離子和原子之類的重粒子其溫度可降低至 300K，形成低溫等離子體。因?yàn)殡娮优c電子之間處于同一熱力學(xué)平衡態(tài)，這就意味著電子具有足夠高的能量以使反應(yīng)物分子激發(fā)、離解、電離，反應(yīng)體系又得以保持低溫，這樣設(shè)備投資少，節(jié)省能源。

等離子體空氣凈化器工作原理分為三個(gè)部分：

1.1預(yù)荷電集塵

其基本原理是利用極不均勻電場(chǎng)，形成電暈放電，產(chǎn)生等離子體，其中包含的大量電子和正負(fù)離子在電場(chǎng)梯度的作用下，與空氣中的顆粒污染物發(fā)生非彈性碰撞，從而附著在上面，使之成為荷電離子，在外加電場(chǎng)力的作用下，被集塵極所收集。靜電集塵是一個(gè)物理過程，在這個(gè)過程中，對(duì)懸浮在空氣中直徑小于100μm 的總懸浮顆粒和直徑小于 10μm 的可吸入顆粒有較高的清除效率。

1.2催化凈化

以高能電子與氣體分子碰撞反應(yīng)為基礎(chǔ)，利用前后沿陡峭的脈沖高電壓，形成高頻脈沖電暈放電，在一定空間產(chǎn)生非平衡態(tài)低溫等離子體。其催化凈化機(jī)理包括兩個(gè)方面，在產(chǎn)生等離子體的過程中，高頻放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高能量，打開某些有害氣體分子的化學(xué)鍵，使其分解成單質(zhì)原子或無(wú)害分子。等離子體中包含了大量的高能電子、離子、激發(fā)態(tài)粒子和具有強(qiáng)氧化性的自由基，這些活性粒子的平均能量高于氣體分子的鍵能，它們和有害氣體分子發(fā)生頻繁的碰撞，打開氣體分子的化學(xué)鍵生成單原子分子和固體顆粒，同時(shí)產(chǎn)生的大量自由基和氧化性極強(qiáng)臭氧與有害氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成無(wú)害產(chǎn)物。催化凈化可以清除空氣中絕大部分碳氧化物、氮氧化物、碳?xì)浠衔锖推渌恍┯泻怏w分子。

圖1 NO轉(zhuǎn)換示意圖

1.3負(fù)離子發(fā)生

在產(chǎn)生等離子體的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生大量的負(fù)離子。利用放電的方法，產(chǎn)生負(fù)離子，在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下，將其擴(kuò)散到室內(nèi)空間。負(fù)離子一方面調(diào)節(jié)了空氣中的離子平衡，另一方面，它還能有效地清除空氣中的污染物。高濃度的負(fù)離子同空氣中的有毒化學(xué)物質(zhì)和病菌懸浮顆粒物相碰撞使其帶負(fù)電。則這些帶負(fù)電的顆粒物就會(huì)吸引其周圍帶正電的顆粒物。這種積聚過程一直持續(xù)到顆粒物的重量足以使它降落在地面為止。

2.等離子空氣凈化器結(jié)構(gòu)

等離子空氣凈化裝置既是負(fù)離子產(chǎn)生源又是空氣凈化裝置。主要構(gòu)件是負(fù)電暈放電區(qū)和通風(fēng)風(fēng)扇。電暈線上加有負(fù)高壓，形成負(fù)電暈放電，在其周圍形成空間電荷區(qū)，產(chǎn)生大量的負(fù)離子，負(fù)離子隨著氣流進(jìn)入室內(nèi)，起著空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)和凈化作用，負(fù)直流高壓電源接到電暈線上，對(duì)地線開始電暈放電，脈沖電源圖如2所示。

圖2 脈沖電源電路

電暈線周圍的空氣在高壓下電離，其中，正離子在強(qiáng)大的負(fù)電壓電場(chǎng)下，被吸引至電暈線上，負(fù)離子則向正極方向移動(dòng)，在風(fēng)機(jī)的作用下，進(jìn)入到外部空氣，部分與空氣中的粉塵結(jié)合，迅速下降，起到凈化空氣的作用。在負(fù)電暈放電過程中除產(chǎn)生負(fù)離子外同時(shí)產(chǎn)生臭氧，從而影響了室內(nèi)負(fù)離子空氣凈化器的推廣使用。

本裝置使用電暈線加熱的方法抑制負(fù)電暈放電過程中臭氧產(chǎn)生和降低負(fù)離子發(fā)生器的臭氧濃度，其原理是：電暈線加熱，使電暈線溫度升高，降低電暈線內(nèi)金屬原子與表面的勢(shì)能差，減小電子從原子外層脫出的逸出功，使外層電子在較低能量作用下，就從原子中脫出，飛出電暈線表面等離子發(fā)生器的兩個(gè)主要性能參數(shù)是負(fù)離子濃度和臭氧濃度。負(fù)離子濃度決定著凈化效率，負(fù)離子濃度、臭氧濃度、電暈電流隨著放電電壓的升高增加，加熱可以提高負(fù)離子濃度、增加電暈電流，而降低臭氧濃度。

3.等離子空氣凈化裝置的優(yōu)點(diǎn)

等離子體是一種聚集態(tài)物質(zhì)，其所擁有的高能電子同空氣中的分子碰撞時(shí)會(huì)發(fā)生一系列基元物化反應(yīng)，并在反應(yīng)過程（下轉(zhuǎn)第53頁(yè)）（上接第51頁(yè)）中產(chǎn)生多種活性自由基和生態(tài)氧，即臭氧分解而產(chǎn)生的原子氧。活性自由基可以有效地破壞各種病毒、細(xì)菌中的核酸，蛋白質(zhì)，使其不能進(jìn)行正常的代謝和生物合成，從而致其死亡；而生態(tài)氧能迅速將多種高分子異味氣體分解或還原為低分子無(wú)害物質(zhì)。另外，借助等離子體中的離子與物體的凝并作用，可以對(duì)小至亞微米級(jí)的細(xì)微顆粒物進(jìn)行有效的收集。空氣中負(fù)離子的含量是空氣質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。負(fù)離子不僅可高效殺滅家居空氣中因長(zhǎng)期密閉而日趨增多的煙霧、灰塵、細(xì)菌，更可中和空氣中的正離子，活化空氣，改善肺功能，改善心肌功能，改善睡眠，促進(jìn)新陳代謝，增強(qiáng)人體抗病能?；诜肿又亟M原理的新一代的空氣凈化器，利用等離子體技術(shù)，不僅具有對(duì)室內(nèi)顆粒污染物的一個(gè)凈化功能，而且對(duì)于氣態(tài)污染物，通過破壞分子間的鍵能，有效地分解氣態(tài)污染物，從而達(dá)到了凈化空氣的作用。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]高立新，陸亞俊.室內(nèi)空氣掙化器的現(xiàn)狀及改進(jìn)措施[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，36（02）.

[2]李杰，劉林茂，王海軍等.電暈線加熱降低負(fù)離子空氣凈化器臭氧濃度的實(shí)驗(yàn)研究.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)[J].1996（07）.

[3]楊建軍.一種空氣凈化裝置94235832.5[P].1995.11.

[4]陳曉煜.一種新型空氣凈化器的技術(shù)與開發(fā)，重慶大學(xué).